计算气动光学研究进展

计算气动光学是采用数值计算的方法研究高速空气动力流场对光波传输和光学成像影响的一门交叉学科,在红外成像制导设计等工程应用中发挥着重要的作用。总结了计算气动光学研究的三种基本计算方法,包括基于CFD简化方法的光学统计估算、基于RANS流场的计算和基于LES/DNS瞬态流场的计算,对这三种计算方法的基本理论、计算过程进行了介绍,综述了新近的一些计算气动光学研究进展,最后指出了未来的研究重点和方向。     

超额定状态下二元超声速进气道的流动特性

为了揭示超额定工作状态下超声速进气道内的复杂流动机理,对一设计马赫数为2.0的二元超声速进气道开展了数值模拟研究,获得了其在不同来流马赫数状态、不同节流状态下的流场结构.结果表明:当进气道工作在额定状态时,随着节流程度的增加,其激波串的核心区由偏向下壁面摆至偏向上壁面;而在超额定状态下,由于依次受到唇罩内侧分离包、唇罩激波等的影响,激波串核心区则由偏向上壁面转而摆至偏向下壁面.在来流马赫数为2.5的节流状态下,其唇罩激波与前体斜激波相交形成了马赫杆等复杂波系结构,而来流马赫数为3.0状态却并未形成此类现象.在上述两种超额定工作状态下,前体斜激波的上透射激波均在高反压条件下演化为正激波形态,而唇罩激波的下透射激波形态也发生了明显的改变.      

基于背景纹影技术的随机介质折射率场测量

针对光线通过复杂流场时产生的光传输效应问题,提出了基于背景纹影技术的复杂折射率场测量方法,给出了根据粒子图像偏移量求解折射率场分布的计算方法和推导过程,并对该方法的分辨率与灵敏度进行了理论分析。在此基础上,对火焰上方折射率场的分布进行了实验测量,利用粒子图像测量(PIV)技术对实验图像进行处理。结果表明:实验测量得到的空气折射率最大值为100029,最小值为100009,测量有效值小于00001。表明该方法具有较高的测量精度,能够有效实现复杂折射率场的实时精确测量。      

超燃冲压发动机壁板振动对燃烧室性能的影响

为了研究超燃冲压发动机壁板振动对燃烧室性能的影响,以改进后的JNAL模型为研究对象,分别对上游壁板和下游壁板施加强迫振动,研究振动幅值、频率、波长对燃烧效率和总压损失系数的影响。对于本文的计算模型,结果表明:(1)壁板振动对燃烧室性能产生明显的影响,提高燃烧效率的同时也提高了总压损失系数;(2)对于上游和下游壁板振动而言,振幅和波长对燃烧性能的影响规律基本相同,燃烧效率和总压损失系数随振幅的增加而增加,最大增加幅度分别达到了40.52%和55.74%,随波长的减小而增加,且波长较小时,燃烧室性能变化较敏感;(3)对于上游壁板振动而言,随频率的增加,燃烧效率和总压损失系数先略有下降,后单调增加,但是,对下游壁板振动而言,随频率的增加,燃烧效率和总压损失系数先增加后减小,且当振动频率与下游流场压力脉动的主频率接近时,壁板振动对燃烧室性能的影响达到最大,燃烧效率和总压损失系数增加的幅度分别达到了75.42%和65.68%。     

航空发动机进气支板电热防冰试验

为了研究电加热防冰的效果,开展了小型航空发动机进气支板的电加热防冰试验。结合该型号发动机进气支板的结构特点,设计了3种电热防冰加热布置方式,分别在支板沿轴向的不同位置采用1~3个电加热棒作为防冰热源。通过模拟不同的发动机进气结冰环境参数和电加热功率,在冰风洞中对3种电加热方式进行了防冰试验研究。通过布置在支板外表面的温度测点记录了防冰过程中支板表面的瞬态温度变化,分析了支板防冰过程中表面温度的变化特点。防冰试验研究了热源总功率、热源布置方式、液态水含量以及来流温度对支板防冰性能的影响。试验结果表明,合理的电加热方式可以取得较好的防冰效果,同时避免支板后部的溢流水结冰。     

高温空气传输特性对边界层稳定性及转捩预测的影响

为了研究黏度和导热系数对边界层内基本流和流动稳定性的影响,首先通过分析比较Sutherland公式和目前常用的Gupta等人的拟合关系式,建立了高温气体下黏度和导热系数的计算模型,并分别将Sutherland公式和新建立的计算模型应用于7组元化学平衡流的平板模型,在马赫数为10,16和20,飞行高度为30-5km等条件下分别对黏度和导热系数的模型进行比较.计算结果表明:在高温范围内,黏度和导热系数均影响着边界层的基本流、流动稳定性及转捩预测,且两者影响的趋势相反,黏度的增加、导热系数的减小都能使扰动的增长率变大,增长区变宽,转捩位置提前.      

高雷诺数二维充气机翼构形的气动特性

针对基于二维充气机翼的构形特征进行高雷诺数条件下的气动特性分析.首先通过对二维充气机翼构形特征的设计,建立了描述逼近程度的误差参数和若干模型;进一步运用数值方法,通过与标准翼型的对比,分析充气机翼的气动性能及其误差参数的敏感性.数值结果表明:在高雷诺数条件下,充气机翼的气动性能相对于标准翼型有所降低.同时,结合对流场特征的分析,从机理上解释二维充气机翼与标准翼型气动性能差异形成的原因,即导致总的阻力系数明显增加的主要原因是其凹凸起伏的表面对充气机翼表面压力分布所引起的变化,局部压力升高从而大幅增加了压差阻力.      

一种涡轮排气蜗壳的优化设计

为了改善涡轮排气蜗壳的排气效果,选取一种箱式蜗壳为原始计算模型,通过数值模拟研究了该排气蜗壳的气动性能,揭示了蜗壳内部流动损失的主要来源,在不改变其几何尺寸的前提下,提出了一种蜗壳的分流层改型设计,并与两种一般改型方式的效果作比较.数值计算结果表明:在设计工况下,分流层改型设计可使排气蜗壳的总压损失系数最多降低32.12%,静叶恢复系数最多提高48.73%,其效果好于扩压结构弧线改型,但弱于蜗壳壁面轮廓型线改型,在此基础上揭示了分流层设计改善蜗壳气动性能的机理.      

基于图论的燃油管路稳态流动计算方法

基于节点分析法,提出将局部损失并入相应管段的处理方法,推导阻力计算公式,从而得到兼顾沿程和局部损失的稳态流动计算方法。将该计算方法应用于实际的航空发动机燃油管路,采用VB.NET语言编写计算软件;同时,对燃油管路开展三维数值模拟计算。结果表明:局部损失对管路的流量分配影响较大;该计算方法得到的流量分配与数值计算结果趋势吻合很好,差别在±10%。      

氢燃料燃烧加热风洞中水蒸气相变效应的数值研究

为明晰氢燃料燃烧加热风洞中的水蒸气相变效应,采用同时考虑凝结和蒸发相变模型的多组分输运可压缩流动数值模拟方法,研究了超声速喷管内的水蒸气凝结过程以及凝结气流再蒸发对典型压缩构型(二维斜劈、三维斜劈和圆锥)流场参数及气动力的影响。结果表明:氢燃料燃烧加热风洞喷管气流中,水蒸气在较低总温条件下确实存在较大程度的凝结相变,但同时在斜劈激波压缩后也存在较强的蒸发相变;凝结会使喷管流场参数发生较大偏离,但再蒸发效应又会使气流经过斜劈压缩后趋近理想状态,趋近的程度受到压缩程度的影响。本文计算条件下,喷管内水蒸气相变导致出口参数偏差大于10%,但经过12°斜劈压缩后,流场参数以及表面气动力可恢复到理想状态的95%以上,此时相变的影响基本可以忽略。