凸拐角附近激波与湍流边界层干扰的数值模拟研究

采用大涡模拟方法数值研究了来流马赫数Ma∞=3、雷诺数Reθ=2070的凸拐角附近激波与湍流边界层干扰问题。对于尖拐角和钝拐角两种情况,计算考察了激波入射到拐角下游时的流场结构、非定常分离流以及湍流统计特性。研究发现:尖拐角能够使流动产生局部集中的顺压梯度,导致壁面摩擦系数在拐角处出现峰值,因此分离点难以越过拐角向上游运动,而再附点发生前后运动。与尖拐角情况不同的是,钝拐角产生的局部顺压梯度不足以阻止分离点越过拐角,因此分离点和再附点都会发生运动。此外,尽管凸拐角产生的顺压梯度能抑制分离点附近的近壁小尺度涡结构,但在经过入射激波作用之后,近壁小尺度涡结构在再附点附近显著增强。     

磁零点及通道宽度对霍尔推力器性能影响的数值研究

磁场位形和通道尺度会改变霍尔推力器等离子体放电过程,影响推力器的宏观放电特性。为分析磁场和通道宽度对推力器放电性能的影响规律,本文针对霍尔推力器轴对称通道结构和放电物理过程建立2D3V物理模型,采用粒子模拟方法研究了霍尔推力器磁零点磁场位形不同通道宽度的电势、粒子数密度、电子温度、电离速率、比冲及推功比的变化规律,结果表明：在具有磁零点磁场位形下,随着通道宽度增加,通道出口处电势降增加,加速区缩短,离子径向速度减少,壁面腐蚀降低;当磁零点位置在内壁面,推力器通道宽度由14 mm增加到16 mm时,推力器比冲和推功比增大,推力器放电效率提高;当磁零点位置在通道中轴线或外壁面,且通道宽度大于14 mm时,推力器比冲增大,推功比减小,推力器效率下降。     

酚醛/环氧过渡层固化特性及复合材料性能

为满足固体火箭发动机复合材料壳体的结构功能一体化要求,研究了两种树脂的过渡层配方、工艺及性能,重点研究了在酚醛树脂B30、环氧树脂TDE-85和固化剂甲基六氢苯酐（MHHPA）体系中,三者不同质量分数下的性能特点,采用了数显旋转黏度计和数显恒温水浴锅对树脂黏度测量,使用差示扫描量热仪（DSC）对不同质量分数的树脂进行热分析,求解多相体系反应机理的动力学参数,验证过渡层树脂固化工艺及性能,并与未使用过渡层的树脂配方进行性能对比。结果表明:过渡层体系中,最先反应的是B30和固化剂MHHPA,最后是B30的自固化;环氧树脂TDE-85的力学性能与酚醛树脂B30耐烧蚀性能满足结构层与功能层性能需求;与未使用过渡层的树脂相比,使用过渡层的树脂耐烧蚀性变化不大,但是弯曲强度提高了67.8%,拉伸强度提高了56.1%;与未使用过渡层的复合材料相比,使用过渡层的复合材料层间剪切强度提高了94.9%,但耐烧蚀性变化不大。综上所述,该过渡层可以满足固体火箭发动机复合材料壳体的结构功能一体化要求。      

MVG控制斜激波/湍流边界层干涉的大涡模拟

采用浸没边界法(IBM)对带有微型涡发生器(MVG)控制器的激波/湍流边界层干涉流动进行了大涡模拟(LES)。以来流马赫数为2.3的斜激波(由平板上方8°楔产生)为基本流动入射平板湍流边界层,通过在干涉区前布置MVG阵列来控制激波诱导的边界层分离。采用浸没边界法处理MVG的复杂几何,分析了MVG尾迹区平均流速度剖面,雷诺应力,瞬态旋涡结构。结果表明:时均流场显示MVG尾迹区存在一对对转的主流向涡,流向涡加剧了边界内的动量交换从而增加了边界层抗分离能力,而瞬态流场则反映出MVG尾迹区的剪切层由于Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性会卷起为一列展向旋涡。     

一种高阶精度大涡模拟技术用于激波/火焰相互作用

基于Smagorinsky亚格子模型和增厚火焰技术,开发了一种高阶精度的反应流大涡模拟求解器,运用于数值研究边界层对激波与火焰相互作用的影响。该求解器的核心在于加入了基于超黏性的激波捕捉技术和时空三阶精度的两步Taylor-Galerkin紧致（TTGC）有限元格式,并通过对一维Shu-Osher问题和二维激波/气泡相互作用问题的计算,验证了求解器对激波、接触间断和湍流脉动等流动细节的捕捉精度,计算结果与实验数据吻合良好。通过对激波管内激波、火焰与边界层相互作用问题的数值模拟,发现由于激波与边界层的相互作用会产生不稳定的激波分叉现象,激波三分叉点传播速度的发展经历了水平匀速运动、小斜率线性增长和大斜率迅速增长3个阶段,由此揭示了激波分叉促进火焰加速的机理。当火焰面传入激波分叉区后,流场不均匀的回流区起到了稳定火焰的作用,一方面分叉结构内火焰面能够为激波的运动持续地供应热量,另一方面局部超声速区域为火焰的快速传播提供动力,使其能紧跟激波。通过对比相同条件下甲烷和乙烯燃烧的数值结果,发现两者爆震点触发的位置都出现在马赫杆后面,热量释放率的变化趋势也大致相同,但乙烯出现爆震的时间比甲烷早。     

不同波系配置的鼓包压缩面流动特性实验研究

为探究波系配置对鼓包压缩面流动特性的影响,通过纹影和基于纳米粒子示踪的平面激光散射系统(NPLS)观测以及压力测量等实验手段,研究了三种不同波系配置的鼓包压缩面诱导的复杂流动,获得了鼓包压缩面上的压力分布、边界层分布特性以及鼓包压缩面上的精细流场结构。结果表明:三种不同波系配置的鼓包压缩面均具有边界层排移能力,在鼓包对称面上,沿流向边界层不断降低,边界层不断向两侧排移,在鼓包侧面形成堆积。尽管如此,压缩过程的不同,边界层的排移过程存在一定差异,对于单锥鼓包,其最先将低能边界层排移掉,而双锥和等熵锥鼓包略为迟缓,但三种鼓包末端的边界层厚度大体一致。此外,三种鼓包压缩面对称面上前中部压力梯度存在较大差异,但鼓包末端具有相同的压力分布。因此,在保证总偏转角一致的情况下,具体选用哪种鼓包配波方式对于边界层排移、增压能力而言没有显著的差异。     

局部凹槽对高超声速边界层中第二模态扰动演化的影响

采用直接数值模拟方法研究了局部矩形凹槽对来流马赫数为6.0的高超声速平板边界层中第二模态扰动演化的影响。引入了透射系数(定义为凹槽下游与上游扰动渐近幅值的比率)来量化凹槽的局部散射效应。数值结果表明:对于较浅的凹槽,频率较低的第二模态扰动被促进,而高频扰动的规律相反。对于大多数情况,凹槽深度的增加使得透射系数减小,这表明凹槽对扰动的促进作用减弱或抑制作用增强。当凹槽的深度超过某一临界值时,透射系数与凹槽深度的关系变为正相关,这表明了另一机制的出现。临界深度受扰动的频率影响:频率越低,临界深度越大。      

航发涡轮叶片气膜孔的磨削加工实验

针对目前航空发动机涡轮叶片气膜孔加工精度低和重熔层难去除的问题,提出了"电火花打孔、磨削扩孔"的新型气膜孔加工工艺,研制出小孔磨削专用微细CBN砂轮并对电火花气膜孔进行了磨削工艺实验。实验结果表明:经磨削加工后气膜孔圆度降低50.9%,孔径尺寸标准差降低90.7%,表面粗糙度降低65.9%,重熔层被全部去除,证明了航发涡轮叶片气膜孔磨削加工的可行性。     

进气道内激波/边界层干扰及控制研究进展

进气道作为高速航空航天飞行器的重要气动部件,对飞行器的气动力特性、结构重量、隐身性能等有显著影响。激波/边界层干扰现象是高速进气道内普遍存在的一类流动现象,对进气道的性能有突出的影响。发生于进气道内的激波/边界层干扰现象主要可分为正激波/边界层干扰、斜激波/边界层干扰以及三维激波/边界层干扰几类,由于受到侧壁壁面和进气道内背景波系的影响,这些干扰现象偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的耦合干扰特征,干扰区间内三维特征明显。概述了发生于进气道内的激波/边界层干扰特性及相关研究进展,并对目前进气道内激波/边界层干扰现象的控制方法进行了总结。     

变截面管内激波串的预测理论及其验证

现有等直管内激波串的预测理论并未考虑截面积变化以及壁面传热等条件,因此发展了考虑壁面温度、附面层分离和截面积变化的激波串理论分析模型,并与实验结果进行了对比。研究表明,该模型可快速计算隔离段参数的沿程变化,激波串前缘位置的差值在26%以内。此外,对变截面管道激波串进行了理论分析和数值模拟,研究发现数值解和理论解的差值为11%。