椭圆内聚激波面间断化过程的激波动力学分析

针对椭圆内锥几何约束下激波的非均匀汇聚问题,利用高超声速等价原理,将三维定常椭圆内锥激波转化为二维非定常椭圆内收缩运动激波。根据激波动力学原理,发展出一种既能得到非定常激波面演变过程及参数分布,又能沿着激波面追踪扰动传播过程的“波面-扰动追踪法”。该方法不仅具有快速预测激波非均匀汇聚及其演变过程的特点,而且有助于揭示激波面从连续弯曲演变出间断的内在机理。研究表明：初始沿周向强度均匀,而几何形状偏离轴对称的椭圆内聚激波受到自身产生的非均匀“Shock-Compression”扰动,在向中心汇聚的过程中,激波强度非均匀性出现且不断加剧。由于长轴附近的激波面曲率大,激波强度增长得更快。而激波强度的非均匀性会导致扰动的聚集,使得原本连续光滑的激波面出现间断,进而将初始长、短轴附近的激波面分割为强、弱两对激波段。增大长短轴比,椭圆激波的非均匀性演化更快,激波面更早地出现间断。利用“波面-扰动追踪法”对椭圆激波汇聚过程进行分析,为解决三维定常内锥激波的非均匀汇聚问题提供了新的途径。     

基于气体放电的高超声速激波结构显示技术

基于气体放电辐射强度与气体密度的相关性,在高超声速脉冲风洞FD-20中搭建了气体放电流场显示系统,并分别以平板模型、平板-方块模型和简化进气道模型为试验模型,在来流马赫数Ma=12.16、来流静压p≈106Pa的流场条件下开展气体放电流场显示技术研究。在平板实验中,气体放电方法较准确地观测到了电极之间的平板前缘激波结构,与纹影技术测得激波角相差仅为0.21°。在平板-方块实验中,气体放电方法观测到了2个截面（对称面和远离对称面截面）的激波结构,对称面波系结构与纹影和数值计算所得结果基本一致,远离对称面截面的波系结构与数值计算结果基本一致。在简化进气道实验中,气体放电方法观测到了内流道激波交叉形成的菱形结构,且尺寸与数值计算结果相差较小,约为7.9%。这些实验结果表明,在高超声速脉冲风洞中,采用气体放电方法可以获得清晰准确的激波结构,不仅可进行分截面激波结构观测,还可对被模型遮挡的内部区域激波结构进行显示,而且特别适合用于局部复杂流动波系结构的观测。     

超额定状态下二元超声速进气道的流动特性

为了揭示超额定工作状态下超声速进气道内的复杂流动机理,对一设计马赫数为2.0的二元超声速进气道开展了数值模拟研究,获得了其在不同来流马赫数状态、不同节流状态下的流场结构.结果表明:当进气道工作在额定状态时,随着节流程度的增加,其激波串的核心区由偏向下壁面摆至偏向上壁面;而在超额定状态下,由于依次受到唇罩内侧分离包、唇罩激波等的影响,激波串核心区则由偏向上壁面转而摆至偏向下壁面.在来流马赫数为2.5的节流状态下,其唇罩激波与前体斜激波相交形成了马赫杆等复杂波系结构,而来流马赫数为3.0状态却并未形成此类现象.在上述两种超额定工作状态下,前体斜激波的上透射激波均在高反压条件下演化为正激波形态,而唇罩激波的下透射激波形态也发生了明显的改变.      

一种正向乘波前体设计方法初步研究

以定楔角乘波体设计方法为基础,研究了影响高超/超声速乘波体"乘波"的主要因素,给出了前体前缘实际气流压缩角的确定方法及影响因素,可知在相同的来流马赫数和压缩角δ下,随着前缘角θ和气流与前缘夹角α的增加,实际气流偏转角γ减小。据此,基于幂函数进气道前体构形,给出了前缘激波不脱体的限制条件及具体的判定方法,分析了乘波体典型几何特征参数对前缘激波不脱体的影响规律,结果显示在相同的来流马赫数和压缩角度下,增大前缘形状因子n,减小前体的长宽比L/W及增大前缘角均有利于激波不脱体。根据给出的前体几何参数对前缘激波脱体的影响规律曲线,对一种"前体几何外形构造+前缘激波附体条件限制"的正向前体乘波器工程设计方法进行了研究,给出了具体设计流程,并进行了初步的数值仿真验证,表明通过该方法设计的乘波前体流动特征与预期的结果吻合,说明文中所给出的激波附体条件及影响规律是可信的,乘波前体设计方法是可行的。     

壁温对隔离段激波串振荡的影响

为了探索存在换热条件下超燃冲压发动机隔离段内部的复杂流动机理,采用2阶精度的非定常数值模拟程序研究了壁温对隔离段内部激波串振荡特性的影响。结果表明:压力振荡曲线与激波串前缘位置之间存在紧密关系。此外,随着壁温升高,隔离段壁面压力振荡的频率减小、振幅增加。研究还发现,隔离段压力振荡标准差最大值位于激波串前缘激波及其与上下壁面边界层相互作的位置,而湍动能最大值则分布在分离区后侧剪切层区域内。      

径向入射激波聚焦实验和数值模拟研究

为得到不同入射激波马赫数对凹腔内径向入射激波聚焦过程的影响,对马赫数为1.25和2.18的径向入射激波在实验段内反射聚焦的过程进行了实验和数值模拟研究。用高速CCD拍摄了凹腔中气流流场的纹影图片,并采用保持强稳定性的龙格—库塔格式、加权基本无振荡算法和块结构动态自适应网格加密对激波反射聚焦的过程进行了数值模拟,实验和数值模拟结果吻合较好。复杂的激波形状及其之间的相互作用(如激波反射,激波聚焦和不同激波的相互作用)在实验和数值模拟中都能很好地观测到。通过比较不同马赫数入射激波的反射聚焦过程,发现较高的马赫数下聚焦后能产生射流,而较低的马赫数下却没有。同时发现,入射激波马赫数能影响二次激波出现的位置和强度,进而影响聚焦过程流场的紊乱程度。     

超声速气流与反向射流的混合

在不同的反向射流喷射角度条件下,对反向射流混合加热方案的混合效果进行了实验研究。采用空气和氢气燃烧混合物作为超声速载气流,常温下的空气作为反向射流。将混合前后流场的温度分布作为衡量载气流与反向射流混合效果的标志。实验结果表明:混合均匀度随混合距离的增加而提高;反向射流的喷射角度在40°角附近时混合均匀度最佳;增大反向射流初始压力可有效提高反向射流与载气流的流量比,从而提高混合效率。     

自由活塞激波风洞定压驱动时间研究

自由活塞激波风洞是一种高焓值的高超声速地面试验设备,其运行时间十分短暂。提高自由活塞激波风洞有效试验时间的一个可行途径是延长定压驱动时间。以此为目的,本文探索了活塞压缩器中活塞速度对定压驱动时间的影响。研究结果表明,在不同的初始参数下,定压驱动时间关于活塞速度存在极大值,这些极大值形成了一条脊线(局部极值曲线)。随后,通过数值计算的结果归纳出脊线的若干性质。这些结果表明,在活塞压缩器的理论设计中,设计参数应选择在靠近这条脊线的区域,并且该处的定压驱动时间关于参数的梯度应该相对较小。     

可压缩流动激波装配在格心型有限体积法中的应用

发展了一种基于格心型有限体积方法(FVM)的激波装配算法。通过定义网格节点属性可以灵活调用激波装配和激波捕捉计算方法。在使用激波装配方法时,激波节点运动速度和下游运动速度通过Rankine-Hugoniot(R-H)关系式获得,同时采用非结构动网格技术描述激波的运动以及调整其他网格节点的位置。流过激波面元的通量为上游单元的基本通量,物理概念更加清晰,通量计算也更为准确。在计算过程中,网格节点属性可以发生变化,以此实现对带有拓扑变化流场的描述。数值试验表明:本文提出的计算方法不但具有较高的计算精度,同时能有效地避免由于捕捉激波而出现的数值问题。     

斜激波极值规律的边界层影响

采用边界层理论与斜激波/膨胀波精确算法，建立一种结合Eckert参考温度法和Illingworth-Stewartson变换法优势的边界层权重算法，用于研究超声速黏性楔面边界层位移厚度对斜激波极值规律的影响。分别应用层流Navier-Stokes方程和湍流Navier-Stokes方程的CFD解算器对边界层新模型进行了算例精度评估。在来流马赫数为1.2~2.4和楔面角为3°~20°的范围内，压强比的相对误差小于0.1%。计入层流与湍流边界层影响的理论模型研究表明，边界层影响使得最优马赫数增加；对于层流边界层，最优马赫数增量约为0.001 5~0.003 3；对于湍流边界层，最优马赫数增量约为0.002 8~0.006 1。