火箭级间分离喷流干扰数值模拟与风洞试验研究

针对典型风洞试验状态,采用有限体积法求解三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,数值模拟了给定级间距下火箭级间分离喷流干扰流动情况,获得了清晰的流场结构和有/无喷流干扰时两级气动特性变化规律,并对仅主机喷流和主机与四游机同时喷流的情况进行了计算,数值模拟研究结果为风洞试验方案的设计提供了参考依据。在典型状态数值模拟研究的基础上采用了冷喷流模拟技术对多个状态下火箭级间分离喷流干扰特性进行了风洞试验研究,获得了两级在有/无喷流、同轴变攻角情况下的气动力系数,研究结果表明,级间喷流干扰会对两级气动特性带来较大影响。相同状态下计算得到的两级气动特性变化与试验符合较好,表明了针对风洞试验状态的预先数值模拟对试验方案的设计验证可提供有益的参考。     

导弹模型后体横向喷流干扰特性

通过在2m×2m超声速风洞开展横向喷流静态测力和油流显示试验,获取了来流马赫数为1.5~4.0、迎角为-8°~27°、喷流静压比为5~17.6及不同喷口位置等参数对横向喷流干扰的影响规律,结合数值模拟获取了模型表面极限流线和喷口附近干扰流场结构,进而研究了导弹模型强迫运动下的横向喷流干扰特性。结果表明:在模拟参数范围内,位于导弹模型后体的横向喷流均产生有利干扰;来流马赫数越大,干扰放大因子随迎角变化越剧烈,静压比升高导致干扰放大因子减小,“单独向上喷流”干扰程度大于“单独向下喷流”;强迫运动条件下基本气动特性和干扰均出现动态迟滞,干扰放大因子尤其在大迎角和下俯过程中明显偏离固定迎角值,表明模型运动对横向喷流干扰特性影响较大。      

导弹水下发射近筒口点火时机选择影响研究

潜射导弹蒸汽-燃气弹射出筒时,弹尾会附着燃气泡,该尾空泡的发展形态会对水下点火燃气射流流场的建立产生影响。为了研究水下发动机不同工作状态发射流场结构变化及原因,采用Mixture模型和动网格技术对发动机处于尾空泡的三种包覆状态:扩张初期、收缩初期、完全闭合状态(对应点火位置分别为2.2m,4.3m,6.5m)的燃气射流动态流场进行数值模拟。仿真结果表明,尾空泡收缩程度越大,发动机喷管流场结构越复杂,尾空泡不断地膨胀-颈缩,使得发射平台受到较大的压强脉动;当尾空泡未处于收缩状态阶段且发动机运动一定安全距离4.3m时点火,既有利于燃气射流流场的建立,同时发射筒及艇体受到的压力脉动最小,从而有效地提高了水下点火发射的安全性。     

辅助进气激励器强化喷流混合的数值模拟

对采用高动量的辅助进气激励器和“常规”激励器强化的高速、大尺度喷流混合进行了数值模拟研究。对比了辅助进气激励器和“常规”激励器吹气射流对流向涡、喷流拍动、阻塞面积的影响,分析了合成射流强化喷流混合的流动滞后现象。结果表明:合成射流强化喷流混合中的辅助进气激励器在吹气时间、吹气动量、峰值动量比方面要明显优于“常规”激励器。合成射流强化喷流混合由激励器迟滞和流场迟滞两部分组成。“常规”激励器和辅助进气激励器射流峰值动量都滞后于活塞峰值速度时刻19.5%,流场滞后峰值动量时刻5%左右。相比于“常规”激励器,采用辅助进气激励器的“小突片”堵塞面积较大,强化喷流混合的效果更好。      

合成射流对圆柱绕流流固耦合特性影响分析

利用合成射流对钝体绕流流动特性及流致振动进行了主动控制数值研究。结果表明:随着合成射流动量系数的增加,对圆柱涡激振动的抑制效果越好。随着射流位置从后驻点移向前驻点,圆柱尾流涡脱模态呈现出柱体背流面附着对称涡的定常状态-过渡状态-反对称2S涡脱落模式的演变过程。圆柱双自由度振动轨迹为“8”字形,完全受到抑制时轨迹为“一”字型,部分抑制时其轨迹为“月牙形”,合成射流的引入可有效降低圆柱所受升力,能有效的抑制圆柱横向和流向振动,当合成射流对位于圆柱背风侧的1/4弧边缘时,圆柱的流向振荡和横流振荡均可被抑制,其抑制效果最好。      

基于联合射流的翼型动态失速流动控制研究

动态失速控制对于提高翼型气动特性具有重要意义。采用联合射流方法对翼型俯仰动态失速控制进行数值模拟,完成两方面的研究:一是射流关闭时射流通道对动态失速特性的影响,二是射流开启时不同射流动量系数对动态失速控制的影响和分析。结果表明:射流关闭时,射流通道的存在对翼型上仰过程中附着流阶段的气动特性产生不利影响,使得升力系数明显下降,但是对翼型下俯过程中失速分离流阶段的气动特性影响不明显;射流开启后,动态失速特性得到极大改善,迟滞环面积显著减小,升力增加,阻力减小,且阻力和力矩的峰值显著减小,原基准翼型力矩曲线的负阻尼区域消失。     

改进S-A湍流模型对横向射流的CFD模拟

通过在Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型中加入应变率张量,来改善模型对横向射流(JICF)的计算精度。模拟了速度比分别为0.5和1.5工况下的横向射流。经实验值验证,结果表明:改进后的S-A模型预测精度有所提升;并对湍流模型改进部分对横向射流的作用机制做出了分析。将改进后S-A模型的计算结果与k-ε模型,雷诺应力模型(RSM)和大涡模拟(LES)的结果进行比较,发现S-A模型在速度比为0.5时精度最高,而在速度比为1.5工况下没有明显优势;并对这一现象做出了合理分析。      

低气压条件下多缝式等离子体合成射流激励器特性实验

设计了一种低气压条件下工作的大间距多缝式等离子体合成射流激励器,旨在应用于高空飞行器的内部流动控制。实验中利用气体放电电压在低气压条件下迅速降低的特性,将激励器放电电极间距设计为26mm,使激励器腔体和出气口均得到显著拉长,并通过电参数测量、高速纹影观察分别研究了其放电特性及瞬态流场特性。实验结果表明:激励器的初始射流锋面速度达到了761m/s,故在高速流动控制中具有较大的应用潜力。此外,激励器射流导致的压缩波和射流边界均接近半椭圆形,具有较大的流场均匀区,因此其流动干扰能力和动量交换能力较常规孔式射流要更强。      

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

连续超声速射流对撞的试验研究

为研究2级脉冲爆震发动机中射流对撞的机理,开展了自由空间内连续超声速射流对撞的试验,通过分析流场阴影、动态压力和辐射噪声揭示连续超声速射流对撞的机理。结果表明:自由空间内连续超声速射流对撞后产生的激波出现3种运动模态:拉锯脉动模态、左右摇摆模态和弓型旋拧模态。激波的拉锯脉动模态导致的压力脉动幅值较大,具有周期性;左右摇摆模态和弓型旋拧模态导致的压力脉动幅值较小,具有随机性;射流对撞产生的啸叫频率低于声源的压力脉动频率。