四种飞行器绕流的三维DSMC计算与传热分析

在地球大气层与火星大气层中,使用自己编制的DSMC(direct simulation Monte Carlo)源程序完成了四种飞行器(即Apollo,Orion,Mars Pathfinder以及Mars Microprobe)高超声速穿越稀薄气体时的三维绕流计算,给出了上述飞行器42个典型飞行工况(其中包括在地球大...     

2219合金TIG补焊接头亮线影像成因及其力学性能

针对2219合金TIG补焊接头X射线底片亮线影像,开展2219合金不同坡口面角TIG补焊接头组织及性能研究。通过X射线、扫描电镜及能谱仪分析接头底片亮线影像位置对应的微观形貌及成分,并通过拉伸试验评价补焊接头力学性能。结果显示:在0～20°随坡口面角α值的增大,X射线底片上亮线影像的黑度逐渐降低;Cu含量较高的α(Al)+θ非平衡共晶组织对X射线的散射与吸收作用较强,是X射线底片亮线影像的成因;坡口面角α角侧受电磁搅拌作用弱于β角侧,其固-液界面前沿的边界层宽度大于β角侧,且温度梯度及边界层内的成分过冷度均大于β角侧,促进了α角侧枝晶的生长。当β角为20°时,在0°～20°随着α角度值增大,接头的抗拉强度与延伸率逐渐增大,20°时获得了优良的室温力学性能。X射线底片上存在亮线影像的补焊接头力学性能满足型号使用要求,亮线影像结构可不按焊接缺陷处理。     

含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场特性数值模拟

针对高超声速飞行器的烧蚀现象,采用Newton迭代的空间推进方法,数值求解化学非平衡的抛物化Navier-Stokes(PNS)方程.以黏胶基碳布-氨酚醛树脂为烧蚀材料,建立了含碱金属杂质的18组分33反应的化学反应模型,计算了小钝锥体的壁面温度,并和现有文献结果进行对比验证.在此基础上,对含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场进行了模拟,深入分析了含碱金属杂质的烧蚀反应对流场温度、压力和电子数密度的影响.结果表明:烧蚀反应使得流场温度较非烧蚀情况增加了10%~15%;考虑碱金属杂质Na后,流场电子数密度增大了1~2个数量级.      

考虑非平衡效应的过冷水滴凝固特性

非平衡凝固是过冷条件下水滴凝固过程的重要现象。本文针对飞机结冰过程过冷水滴的非平衡凝固效应,发展了改进的凝固特性预测模型及数值计算方法,并自行搭建了实验系统,开展了所建过冷水滴凝固模型与数值预测方法的实验验证。研究表明,所发展的改进模型可有效表征水滴过冷阶段的非平衡凝固效应,因而对冷水滴凝固速率的预测有较好的改进;当过冷度为0℃时,过冷模型退化为传统模型。基于所建方法,开展了过冷度及冷却条件对水滴凝固特性的影响分析,获得了不同条件下水滴凝固过程的温度分布及相界面变化特征。研究表明,过冷度越大或水滴尺度越小,凝固速率相对越高;在考虑非平衡凝固效应的条件下,过冷水滴凝固速率要高于不考虑非平衡凝固效应的工况。相关研究可为结冰热力学模型的改进,以及结冰特性的精细化预测提供参考。     

超声速空间发展燃烧反应剪切层放热效应分析

为探索化学反应对混合燃烧的影响机理,本文从流体力学基本方程出发,采用直接数值模拟方法研究了二维7组元/8反应化学非平衡剪切层的流动,讨论了数值上考虑化学反应放热对流动混合的影响,并分析其机理.研究发现:在相同的基频扰动促发下,考虑化学反应时混合层厚度变薄,且混合层的厚度会随着燃料组分的增大先变小后增大,涡量厚度发展至饱和的位置逐渐靠后;反应放热和组分含量影响湍流切应力和湍动能的变化,涡量厚度随着湍动能以及湍流切应力规律性变化,随着燃料组分的增加,湍动能、湍流切应力及混合层厚度非单调变化,存在极值点.     

非平衡流解耦方法及其计算激波诱导燃烧的应用验证

介绍并发展了一种改进的化学非平衡流动解耦方法.将流动控制方程与化学反应生成源项解耦处理,组分对流项的矢通量分裂基于流动方程密度对流项的分裂形式给出.对流项采用五阶WENO格式求解,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法进行处理.将该方法应用于预混H₂/O₂和H₂/Air激波诱导燃烧计算,得到的定常及非定常燃烧过程与实验观测相符,振荡频率与实验测量较吻合,结果表明该方法应用于多组分多步反应流计算是可行的.      

非结构网格高超声速化学非平衡MHD流场数值模拟

 在非结构网格上对考虑化学非平衡效应的二维高超声速磁流体绕钝头体流动进行了数值模拟。控制方程由二维理想磁流体动力学（MHD）方程和组元连续方程两部分组成,化学动力学模型为5组元17反应模型。MHD方程空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步龙格-库塔格式,并通过弱耦合的方式与化学反应控制方程结合在一起。计算模型为二维钝头体,外加磁场为偶极子场,磁场源位于钝头体内部。在高超声速来流条件下,对有、无磁场干扰,是否考虑化学反应下的4种工况进行了数值计算,得到了满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法能准确地模拟考虑化学非平衡效应的高超声速MHD流场。     

高超声速热化学非平衡对气动热环境影响

高超声速气动加热严重,考虑热化学非平衡对气动热环境影响,可以为热防护系统设计提供有效保障。采用Park和Gupta热化学非平衡模型,数值计算研究5组元(N_2,O_2,N,O,NO),17组化学反应的热化学非平衡效应对高超声速飞行器气动热环境影响,并与完全气体和热化学平衡模型进行对比分析。热化学非平衡模型流场温度及激波距离均比完全气体模型小。激波后气体密度因离解、化学反应而增大,且气体密度越大,激波距离越小,热化学平衡模型激波距离最小。完全气体和热化学平衡模型热流载荷计算值均比实验值偏大。Park和Gupta热化学非平衡模型数值计算激波距离及气动力载荷差别小。Park模型热流载荷计算值偏大,Gupta模型与实验结果相符,它可对气动热环境可靠预测。     

120°模具室温8道次ECAP变形纯钛的组织演化

在室温下以等径弯曲通道变形(ECAP)技术制备超细晶工业纯钛,利用光学显微镜(OM)和透射电子显微镜(TEM)研究室温ECAP变形纯钛微观组织演变过程,并讨论纯钛室温ECAP变形的显微组织演化机制。结果表明:显微组织演化分为3个不同阶段,分别对应3种不同机制:第一阶段在真应变ε≤1.27时,为位错滑移和孪生交互作用细化机制,形成含有高密度位错和孪晶的板条状组织;第二阶段在真应变量1.27<ε<2.54时,为动态回复细化机制,晶粒进一步细化至~0.25μm,形成典型的变形亚晶组织;第三阶段在真应变量ε≥2.54时,为不平衡晶界的转动细化机制,形成平均晶粒尺寸约为0.2μm的等轴状大角度晶界超细晶组织。     

二维热化学非平衡流动的非结构网格DSMC方法及其应用

研究了二维热化学非平衡流动非结构网格DSMC方法实现的过程。提出了一种新型的高效搜索算法,该算法不仅可以跟踪模拟分子在网格之间的迁移,而且在搜索过程中可以准确判别分子与物面是否相互作用,避免了原有算法中分子表面反射非确定论判据。为加快流场的时间发展历程,设计了适合DSMC方法的动态局部时间步长技术,使其可以应用到定常和非定常流场的计算。利用Fortran90的动态分配内存技术编制了计算程序。最后对过渡流域高超声速圆柱绕流进行了数值试验,计算结果初步验证了该算法的可行性。