高超声速风洞多天平测力试验技术研究

在同一次试验中通过安装多台天平测量多个部件气动力,可以更加详细地了解飞行器的气动特性,并可以降低试验成本、提高试验效率。多天平测力技术在亚跨超声速风洞中应用已经非常成熟。但是,在高超声速风洞中,由于模型尺寸小、来流温度高,多天平的布局比较困难,所以目前国内在高超声速风洞中进行的多天平测力试验相对较少。为满足型号研制的需要,在 CARDC 超高速所的Φ1m 高超声速风洞上开展了多天平测力试验技术研究。选取某飞行器的3个控制舵为研究对象。针对试验模型径向尺寸小,而轴向尺寸相对较大的特点,确定采用铰链力矩天平轴线与测量舵转轴互相垂直的“纵轴式”布局方式;采用合理的小型化六分量天平结构形式,升降舵天平测量元件的长、宽、高尺寸为20mm×20mm×25mm;为更加真实地模拟天平的工作状态,设计了专用的加载头,并采用单元加载和组合加载相结合的方法进行校准,校准结果表明,天平主要分量的静校准度均在0．7％以内;在采取温度补偿措施之后,零点漂移明显减小;采用了天平-舵偏角变换装置一体化设计,有效提高了定位和安装精度。在Φ1m 高超声速风洞上开展的 Ma＝5条件下的风洞试验结果表明,采用的多天平测力试验技术是可行的,可以应用到高超声速风洞测力试验中。     

高超声速弯曲激波压缩侧压式进气道数值研究

采用壁面马赫数呈线性分布的曲面压缩系统改进参考侧压式进气道的顶板,得到弯曲激波压缩侧压式进气道,并与参考侧压式进气道进行了比较.数值研究结果表明:设计状态无黏时曲面压缩顶板壁面马赫数分布与给定的马赫数分布基本一致,并且有黏时其壁面压力分布也与二维曲面的基本相同;同参考侧压式进气道相比,顶板采用曲面压缩能够一定程度地改善壁面压力分布,使其末端压力梯度变化平缓;并且非设计状态下的性能也得到有效地改善,特别是来流马赫数为4时,其流量系数提高6.0%、达到0.799,喉道截面总压恢复系数提高1.9%;来流马赫数为5时,其流量系数提高5.2%、达到0.909,喉道截面总压恢复系数提高3.2%.随着攻角增大,该进气道流量捕获能力增强、隔离段出口截面流场畸变减小,但喉道截面总压恢复系数下降剧烈.      

尖前缘翼干扰区的壁面压力和热流率分布

本文给出Ｍ＿∞＝７．８和６．７２，Ｒｅ＝３．５×１０￣７／ｍ和５．４×１０￣７／ｍ气流绕迎角为２０°、３０°和３５°尖前缘翼运动时，平板锥型干扰区的壁面压力和热流率分布。结果表明：（１）平板锥型干扰区的特征几何尺度与无粘激波角β＿０和翼迎角α相关，而壁面压力和热流率的峰值与法向马赫数Ｍ＿ｎ相关。（２）翼面压力和热流率分布由于受拐角涡影响，前者在翼根部呈波谷状，而后者呈波峰状，影响尺度与翼前缘处来流边界层厚度有关。     

高超声速流动分区对接网格算法研究

本文发展了一种能适应强间断流场的满足通量守恒的分区对接网格算法，并给出了保证通量守恒的通量插值系数应满足的条件。采用有限差分NND格式，求解层流NS方程，数值模拟了马赫数6—20绕圆柱的高超声速粘性流场。数值试验表明：方法具有良好的稳定性和收敛性，强激波能自由地穿越内边界。     

三维复杂外形横截面拓扑结构随迎角变化研究

通过数值求解抛物化的椭圆型方程生成复杂外形三维网格;采用交替方向隐式分解的隐式NND格式求解全N S方程模拟"类升力体"外形在高超声速下的大迎角流动;采用张涵信发展的流动拓扑结构理论分析给出了"类升力体"外形垂直于体轴的横截面流线随迎角变化的拓扑结构;此外,通过计算发现:大于20°迎角后,在部分横截面背风对称线上出现结构不稳定的鞍点相连现象。     

二维非对称喷管数值模拟与验证

采用Fluent软件针对二维非对称喷管进行数值模拟,考察了其中几种常用湍流模型及网格密度对模拟精度的影响,并将计算结果与NASA公布的实验数据进行比较,找出了精度较高、求解快捷的模拟方案,结果表明FLUENT软件可以应用于带高超声速外流的非对称超声速喷管内外流场的数值计算。      

高超声速飞行器的滑模观测器设计

对一个高超声速飞行器设计了滑动模态观测器来估计攻角和航迹倾角。通过实时的求解一个极点配置问题,使观测器的切换增益能够根据观测器状态的变化而改变,从而保证了观测误差的动态特性在整个飞行包线内的一致性,给出了单输出和多输出非线性系统的滑模观测器设计过程。设计和仿真算例验证了这种方法的有效性。     

机动飞行器中等攻角高超声速无粘绕流数值模拟

本文采用ＮＮＤ差分格式，利用推进－迭代方法，数值模拟了机动飞行器的中等攻角高超声速无粘绕流流场，发展了一种适用于处理中等攻下背风面流场的技术，大量计算表明，结果准确、可靠。气动力力系数和壁面压力分布与实验数据一致，流场波系结构模拟正确。     

有限平板绕流Monte—Carlo方法仿真

本文采用直接仿真Monte-Carlo方法求解有限长平板绕流等问题。本方法是通过计算机跟踪仿真分子的运动来实现数值模拟的。仿真分子间的碰撞计算由统计抽样确定。碰撞模型分别选用了硬球分子模型和负幂律分子模型。仿真分子与固壁作用采用由完全扩散反射和镜面反射按比例混合组成的模型。为了检验方法的可靠性,还计算了激波结构和Rayleigh问题等一维流动,二维计算采用同步并行程序。数值结果表明直接仿真Monte-Carlo方法能够较好地模拟稀薄气体力学中的一些问题。对于二维计算,所花费的机时和所需的内存均在国内机器所允许的范围内。     

高超音速后掠激波与边界层干扰流场特性

应用表面油流和液晶温度显示、表面热流率和压力测量四种测试技术,在Ma_∞=7.8、单位长度雷诺数尺Re_∞=3.5×10~7/m条件下,研究了30°迎角尖前缘翼面诱导激波和湍流边界层干扰流场特性。结果表明:表面流动是准锥型,在强相互作用下,流动发生了二次分离和再附,导致表面油流线的流向角、温度、热流率和压力分布均出现明显的凹坑。