高超声速小钝锥尾流化学非平衡辐射研究

本文主要目的是研究化学非平衡对高超声速小钝锥尾流辐射的影响。计算结果表明：激发发射辐射比化学发光辐射重要，红外辐射比可光辐射重要。结果还表明：由化学非平衡瞬时辐射模型计算求得的ＮＯ５．３μ的辐射能比由局部平衡辐射模型求得的辐射能大３０￣７０％。由此可知，小钝锥尾流的化学非平衡辐射模型对辐射的影响是不能忽略的。     

关于非结构网格生成中的背景函数

背景信息对于用阵面推进法生成非结构网格是一个关键的环节.文章基于众多文献中提到的背景信息提供方法,提出一种更为实用的背景信息提供技术.此方法不仅避免了不必要的机时,内存的消耗,又使网格具有光滑性,网格的生成具有灵活性,方便性的特点.基于生成的网格采用有限体积法研究无粘高超音速化学非平衡流的流场分布,生成的网格能够成功的运用于高超音速化学非平衡流的数值计算。     

化学非平衡边界层绕流计算

本文介绍用化学非平衡边界层方程组,数值计算高超声速钝头体绕流流场、组元浓度和电子密度分布情况。计算中考虑了电离空气的七种主要成分以及相互间的化学反应,比较了变熵、普朗特数及Lewis数的影响,讨论了完全催化壁和非催化壁两种情况,计算结果与文献及试验进行了比较,结果令人满意。     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

NNW-HyFLOW高超声速流动模拟软件框架设计

NNW-HyFLOW在国家数值风洞（NNW）工程支持下,由风雷开源软件提供基础框架支撑,将建设成为基于结构/非结构混合网格,面向高超声速应用领域的国产自主工业CFD软件,具备高温气体热化学非平衡效应模拟及其相关气动力、气动热和气动物理特性计算分析等主要特色功能。本文从框架设计、数据结构、耦合方法、并行计算方法以及接口设计等方面对软件设计思想和框架特点进行了介绍,给出了求解器采用的理论模型、核心数值算法及其实现方法,结合HEG风洞试验、RAM-C飞行试验、Electre飞行试验以及航天飞机OV102飞行试验等典型算例开展了数值模拟。研究表明：NNW-HyFLOW具有底层代码复用、功能兼容性好、扩展能力强和接口灵活等优点,其当前测试版本已经具备了较好的高超声速非平衡流动数值模拟能力,在热化学非平衡效应及其影响的气动力特性、气动热环境和等离子体分布特性预测与评估方面,具有较高的数值计算精准度,初步满足了高超声速复杂飞行器高温非平衡流动数值模拟的需求。     

求解非定常空气动力系数主导极点的近似方法

在计算与风洞实验的基础上, 提出了机翼剪切翼梢气动布局, 对平面形状与翼型进行了 优化设计, 达到了巡航状态与爬升阶段较高的增升减阻要求。计算采用涡格面元法与涡升力展向 分布吸力比拟法相结合的方法, 既能考虑气动力的非线性因素, 又有较高的计算精度与速度。计 算结果与实验数据十分吻合。通过分析得到, 在矩形翼翼梢处增加具有较大前缘后掠角的梯形剪 切翼梢有不仅增加机翼展弦比, 且可改变展向环量分布, 使其接近椭圆分布; 剪切翼梢上的前缘 涡可抑制翼端涡的作用(使翼端涡强度变弱) , 并在剪切翼梢上产生附加升力。     

来流条件对热流组分扩散项影响效应分析

使用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中不同来流条件对热流组分扩散项的影响。以RAM-CII飞行试验外形为例,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:在非平衡热环境数值模拟研究中,完全催化壁时组分扩散项热流所占比率表征了壁面催化效应的强弱;在同一高度下,随着马赫数升高热流组分扩散项比例越来越显著,而马赫数相同时,随着高度增高热流组分扩散项所占比例越来越小,主要原因在于当地化学反应进行程度不同。     

非平衡电弧加热射流光谱学诊断方法：第一部分 氩射流

从一般意义上给出了非平衡电弧加热射流光谱学诊断方法和结果。表明非平衡亚声速电弧加热射流中心是ＬＴＥ的，沿径向形成一非平衡囊兜，囊兜的最深位置约在１／２射流半径处。     

三维化学非平衡无粘流场的数值模拟

本文用ＮＮＤ格式求解了化学非平衡流场，利用点隐式处理组分连续方程的刚性，采用全流场激波捕捉办法和特征理论，成功地进行了物面边界条件的处理，模拟了高马赫数来流条件下捻激波流场。化学反应采用了五组分五反应模型，建立起来的三维流场计算程序可用于复杂外形化学非平衡无粘流场的数值模拟。     

基于解耦算法的化学非平衡流并行数值模拟

化学非平衡流的数值模拟需要求解化学反应源项,而详细化学反应机理中各个基元反应的时间尺度相差显著,因而导致空间离散后形成刚性常微分方程组,其求解计算量巨大。为此,在非结构有限体积法化学非平衡流解耦算法的基础上,进一步采用基于MPI的并行计算实现大规模化学非平衡流数值模拟的加速,从而为进一步求解复杂的工程应用建立条件。由于基于解耦算法的求解器中计算量最大的化学反应源项求解是基于各个单元格心变量实现,每个时间步求解时不需要进行交互,因此便于实现分区并行计算。经典的激波诱导振荡燃烧算例的数值模拟表明,开发的并行求解器具有较高的计算精度和良好的计算效率,并且由于其较低的内存需求,具备进一步开发图形处理器(GPU)计算能力的基础。