非线性扰动方程研究平面混合层发声机制

在流动过程中由脉动引起的噪声问题在自然界和工业界中广泛存在,研究流动过程中不稳定波的发声机制对于理解、预测并最终控制气动噪声有着重要意义。本文以二维 Blasius 相似性解作为基本流场,以超声速混合层作为研究对象,采用非线性扰动方程(NLDE)研究超声速混合层不稳定波的近场动力学特性与远场声辐射之间的内在联系。针对不同类型的对流马赫数,分别研究对流马赫数 Mc =0.5(<1)和 Mc =1.2(≥1)两种情况下的扰动发声机制,结果表明：当对流马赫数 Mc <1时,流场中的发声机制主要由大尺度结构的涡条发声,且基本波与亚谐波之间的非线性作用能增强辐射强度;当对流马赫数 Mc ≥1时,根据扰动相速度是相对于上层还是下层自由流速度为超声速,可以进一步分为快慢两种模态,分别对快慢两种模态以及其相互作用模态进行了数值模拟研究,计算得到流场中的发声机制是以马赫波形式辐射向远场,即马赫波辐射,其辐角的计算结果与理论值相符。     

DDES延迟函数在超声速底部流动中的性能分析

DDES是广泛应用的一类RANS/LES混合方法,其通过引入延迟函数保证近壁区的RANS模化,对分离流动十分有效。目前DDES已发展了多种不同的延迟函数,但对各延迟函数的性能特点认识尚不够充分,尤其缺乏超声速流动中的相关研究。围绕DDES方法中不同延迟函数开展研究工作,选取超声速底部流动作为测试算例,通过与实验数据的系统对比分析,考察不同延迟函数在超声速分离流动中的分布规律、作用效果及模型求解能力。研究表明,不同延迟函数作用范围与求解能力存在差异,其中DDES-F1能够在起到保护作用的同时不损害模型的求解精度,对该流动较为有效,所得结果与实验数据吻合较好。     

超声速混合层凹腔隔板的自激振动特性实验研究

为了克服强迫振动诱导混合增强难以工程实现的缺陷,提出隔板自激振动诱导混合增强的新技术,而设计最优自激振动频率的隔板是该技术的难题。采用平板开凹腔的隔板构型,通过实验手段并结合数值仿真,分析了凹腔隔板的自激振动特性。研究表明,凹腔的声学自激振荡引起压力随时间的波动是隔板自激振动的直接原因;隔板的约束条件与凹腔的构型参数长深比、后缘倾角对自激振动特性有重要影响;自激振动频率与限位尺寸呈反相关,当限位尺寸为0时,频率提高了324.63%;与凹腔长深比K=1时相比,K=7的频率降低了19.36%。自激振动频率与后缘倾角呈正相关,后缘倾角为90°时,频率提高了23.15%。改变约束条件可大幅提高自激振动频率,是隔板优化设计的一个重要方向。     

三维曲面激波反问题的参考平面解法

为了进一步探索三维超声速气动反问题的求解方法,从降维的三维特征线方法出发,推导出适用于参考平面法的特征方程和相容方程,并提出曲面激波反问题的求解方法。该设计方法可以把三维流场切为多个横截平面。在参考平面内,通过局部迭代求解准二维的特征方程和相容方程;在垂直于参考平面方向,通过引入整体迭代法来确定解面上的交叉导数,使结果达到二阶精度。采用泰勒-麦科尔流动和斜激波关系式验证了该设计方法的精度,其中压力的相对误差分别为1.3×10~(-3),6.1×10~(-5)。为了进一步验证设计方法的可靠性,设计了在3°来流攻角情况下,产生圆锥激波的三维型面,并采用商用软件Fluent验证所设计的三维构型。对比结果表明:所设计的流场与CFD数值模拟结果符合得较好,且流场参数最大误差不超过2%。     

超声速欠膨胀喷流噪声数值模拟研究

本文采用LES/FW-H混合算法开展超声速欠膨胀喷流噪声模拟,研究了欠膨胀状态下喷流流场与声场特征,发现欠膨胀喷流核心区下游平均流向速度衰减较理想膨胀喷流减缓,而湍流速度脉动值增大。此外,欠膨胀喷流中激波波系/喷流剪切层干扰增大了作用点附近的高频和低频压强脉动值,其辐射的宽频激波噪声增强了侧向与上游方向的高频噪声。通过分解近场声场,并结合激波波系的捕捉结果,详细给出了激波泄漏产生宽频激波噪声的过程,揭示了宽频激波噪声的产生机理。     

超声速对流推力矢量喷管的数值模拟

利用二次流对流剪切激励主射流方式来产生射流对流推力矢量方法是一种效率很高的矢量化喷流新方法,又称为对流推力矢量法。本文运用三阶精度MUSCL TVD有限体积格式求解二维非定常、可压缩、雷诺平均N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,计算了对流推力矢量喷管的超声速射流问题,获得几种不同二次流吸气压强下对狭缝和喷管肩部壁面压强分布、剪切层诱导旋涡的结构特征和主射流矢量角等结果,计算结果与实验数据对比取得良好的一致性,并对计算结果进行了详细分析和讨论。     

火星盘缝带伞超声速风洞试验结果分析

为了研究盘缝带(DGB)伞在超声速条件下的阻力特性、摆动角以及伞绳载荷分布的不均匀性,在FD 12风洞中开展了盘缝带伞的阻力特性风洞试验,并通过安装柔性传感器测量了伞绳所受载荷。试验结果表明,在Ma1.50到Ma2.50来流条件下,盘缝带伞的阻力系数随着马赫数的增大先增加后减小,在Ma1.75时达到最大,为0.60,而最大摆动角则是先减小后增大,在Ma2.00时摆动角最小,为7.4°,传感器的安装对降落伞风洞试验结果影响很小。通过柔性传感器的标定和误差分析,获取了伞绳载荷数据,结果显示不同伞绳所受拉力的比值可达到1.98。且传感器数据与风洞天平的测量降落伞总载荷结果吻合,进一步验证了柔性传感器结果的正确性。     

定几何二元倒置"X"型混压式超声速进气道实验

针对一种定几何二元倒置“X”型布局的混压式进气道进行了风洞吹风实验,得到了进气道的性能并进行了分析。结果表明,随着来流马赫数的增加,进气道总压恢复系数不断减小,流量系数却先增加,在设计点达到最大值后减小。当迎角变化时,迎背风侧进气道呈现不同的特性,在小迎角α<6°状态下,背风侧进气道总压恢复系数先上升后下降,迎风侧进气道总压恢复系数却保持一直缓慢下降,在流量系数方面,背风侧进气道流量系数一直增加而迎风侧减小,但两侧总的流量变化不大;在大迎角(α=6~9°)状态下,背风侧进气道总压恢复系数和流量系数均下降剧烈,而迎风侧进气道总压恢复系数虽有下降但流量系数却有所上升。本文为倒置”X”型进气道的设计提供了实验依据。     

超声速化学反应流场迎风格式数值模拟及并行计算

基于有限体积迎风格式对超声速燃烧流场进行了的数值模拟.由于超声速燃烧流场绕流的复杂性,要求对多组分Euler/N-S方程求解的数值模拟方法应具有较高的计算精度及效率.本文引用辅助点方法建立了具有空间二阶精度的van Leer迎风矢通量分裂格式,并应用于超声速燃烧流场绕流的数值模拟.化学反应为氢气/空气十反应模型,采用考虑了化学反应特征时间的当地时间步长显式Runge-Kutta时间推进格式.对钝头体模型爆轰现象、后向台阶氢气喷射及二维内外流超声速燃烧流场模型进行了区域分裂技术的并行计算.计算结果与参考文献作了对比,得到了满意的结果.     

直通道和弯曲通道中超声速气膜冷却研究

对直通道和弯曲通道两种不同几何形状中的二维平行缝槽形式的超声速气膜冷却进行了数值模拟,分析了在有、无斜激波入射冷却层时的冷却效果.计算结果表明,斜激波的入射使壁面的冷却效率较无斜激波入射时要低.在该计算模型中,无斜激波入射时,弯曲通道壁面的冷却效果好于直通道壁面,而有斜激波入射时,弯曲通道壁面的冷却效果不如直通道壁面.