高超声速激波/边界层干扰流动数值模拟研究

在基于Roe格式的全Navier-Stokes方程计算流体力学(CFD)代码中,发展了一种局部熵修正方法,克服了传统熵修正方法在边界层流动模拟中耗散过大的缺点,可用于更加准确的模拟激波/边界层干扰的复杂高超声速流动。对典型高超声速双锥边界层分离与激波干扰的复杂流动进行了模拟,研究了网格密度和熵修正方法耗散性对计算结果的影响。研究表明:高超声速双锥边界层分离与激波干扰流动的数值模拟结果对网格具有很强的敏感性,过稀的网格将产生严重的分离流动预测偏差;低耗散性的局部熵修正方法能更加准确地模拟复杂的高超声速激波与边界层分离流动干扰现象。     

低雷诺数下进气道异常起动现象及其影响因素探析

结合激波风洞实验和数值模拟分析,对一种二元混压式进气道在实验中低单位雷诺数下反而呈现出自起动特征的异常现象进行了研究。根据激波风洞的反复实验观察,表明随着来流单位雷诺数的降低,在继进气道进入不起动状态之后又会重新出现自起动特征的异常起动现象。该结果与层流模型计算得到的流场结构相符,而与湍流模拟结果差异显著;分析表明,层流情况下,由于分离区向前体压缩面大范围地延伸,缓解了进气道入口的逆压梯度,从而在喉道处可以形成主体为超声速的通畅流道,而湍流情况下,进气道入口处激波/边界层干扰形成过分集中的分离泡则呈现明显的壅塞状态;尽管层流情况下进气道流场结构呈现出较为通畅的类似起动的特征,但其流量系数仍明显低于湍流的情况。因此,实验上所观察到的这种异常起动现象严格地说并不属于真正意义上的起动状态。     

高超声速飞行器弹性模态稳定控制方法

高超声速飞行器广泛采用升力体、乘波体等气动布局和轻质材料,导致飞行器刚体模态与弹性模态的耦合问题突出。针对该类飞行器的弹性模态稳定问题,提出了一种新的弹性模态稳定控制方法,将弹性模态视为外部干扰,以弹性模态的导数变量作为控制输出,仅通过实际可测的刚体状态参数作为反馈量来设计控制器。仿真结果表明,所设计的控制器能够保证弹性模态稳定,且控制器结构简单、阶数较低。     

乘波体高超声速飞行器大包线鲁棒控制技术

乘波体高超声速飞行器的机体/动力耦合及大包线飞行特点导致其控制系统设计困难.基于大量气动数据,采用拟合的方法建立数学模型,并进行小扰动线性化,将机体/动力耦合、大包线飞行等转化为模型参数的大范围摄动.基于LQR和H∞理论设计双回路控制系统,内回路用于抑制模型参数的大范围摄动,外回路用于满足系统的性能要求.仿真结果表明:...     

基于智能图搜索的滑翔式高超声速飞行器路径规划方法

研究了高超声速飞行器在线路径规划问题。首先建立滑翔式高超声速再入飞行器动力学模型,在此基础上综合考虑高超声速飞行器在飞行过程中的动压约束、热流约束、过载约束等,对动力学模型进行解析计算,分析再入走廊,并进一步分析形成滑翔式高超声速飞行器的覆盖区域。基于飞行器覆盖区域并结合工程应用需求,提出速度分段的高超声速飞行器可达区域计算方法,确定在不同终端速度约束下的高超声速飞行器可抵达区域。并以此为基础,以各个速度分段的终端速度为节点,提出基于启发式路径搜索算法的分段路径规划方法,通过变步长图搜索算法可在飞行过程中在线确定各个速度分段区间的终点,完成分段路径搜索规划。最后通过数值仿真验证了所提出路径规划方法的有效性,结果表明,所提出的方法计算效率高,能够有效规划高超声速飞行器的机动飞行轨迹,具有一定的工程应用前景。     

Improved local amplification factor transport equation for stationary crossflow instability in subsonic and transonic flows

Transition prediction is a hot research topic of fluid mechanics. For subsonic and transonic aerodynamic flows, e^N method based on Linear Stability Theory (LST) is usually adopted reliably to predict transition. In 2013, Coder and Maughmer established a transport equation for Tollmien-Schlichting (T-S) instability so that the e^N method can be applied to general Reynolds-Average-Navier-Stokes (RANS) solvers conveniently. However, this equation focuses on T-S instability, and is invalid for crossflow instability induced transition which plays a crucial role in flow instability of three-dimensional boundary layers. Subsequently, a transport equation for crossflow instability was developed in 2016, which is restricted to wing-like geometries. Then, in 2019, this model was extended to arbitrarily shaped geometries based on local variables. However, there are too many tedious functions and parameters in this version, and it can only be used for incompressible flows. Hence, in this paper, after a large amount of LST analyses and parameter optimization, an improved version for subsonic and transonic boundary layers is built. The present improved model is more robust and more concise, and it can be applied widely in aeronautical flows, which has great engineering application value and significance. An extensive validation study for this improved transition model will be performed.     

高超声速飞行器模型不确定性影响分析

吸气式高超声速飞行器具有严重的弹性机体和推进系统耦合的典型特征,其分析模型存在较大的不确定性,标称系统和真实系统之间存在偏差,因此研究不确定性对稳定性的影响对于控制器设计具有重要意义。针对典型的乘波体构型高超声速飞行器,建立了气动/结构/推进相互耦合的动力学模型,总结了建模中的不确定因素并将其以加性不确定模型的形式表示出来。以不确定性矩阵的最大奇异值为边界模型,以不确定性矩阵的H∞范数来表示不确定性因素对稳定性影响的大小,并通过不确定性矩阵的边界曲线分析不确定因素对模态特性的影响。结果表明,惯性因素的不确定性对稳定性的影响最大,而且其对飞行器的短周期模态和弹性模态均有较大的影响;同时,对于这一类飞行器的控制器设计必须考虑飞行器的弹性自由度。     

一种鼻锥钝化高超声速轴对称进气道流动特性实验

前缘钝化尺度是高超声速进气道设计中的关键参数。针对一种前体锥加弯曲压缩面的高超声速轴对称进气道,选取最大尺度为3.2mm(5%唇缘半径)的几种典型鼻锥钝化半径,在马赫数Ma=6来流,及模型安装攻角为0°、4°、7°的条件下开展鼻锥钝化尺度对进气道流动性能影响的实验研究。采用纹影拍摄及压力测量记录各来流条件下进气道前体流场结构及壁面压强分布,并在无攻角来流条件下利用微型扰流器进行边界层强制转捩研究。结果表明,对无攻角来流而言,即使是尺度高达3.2mm的钝化半径对进气道前体流场结构及壁面静压分布也基本没有影响。此来流条件下,几种不同鼻锥钝化半径的前体压缩面均出现小范围流动分离,而添加扰流器后该分离区均消失。钝化尺度的影响随着攻角的增加而显现,尽管不同鼻锥钝化尺度下迎风面流场及壁面压强分布几乎没有差别,但背风面随钝化尺度增大表现为边界层明显增厚、流动趋于不稳定。其中最大钝化尺度R=3.2mm的构型在4°攻角来流时背风面即出现明显的分离区,而7°攻角来流时背风面更是出现大范围流动分离、进气道背风侧不起动,并导致进气道内部壁面压强显著下降。     

Large-eddy simulation:Past,present and the future

Large-eddy simulation(LES) was originally proposed for simulating atmospheric flows in the 1960 s and has become one of the most promising and successful methodology for simulating turbulent flows with the improvement of computing power. It is now feasible to simulate complex engineering flows using LES. However, apart from the computing power, significant challenges still remain for LES to reach a level of maturity that brings this approach to the mainstream of engineering and industrial computations. This paper will describe briefly LES formalism first, present a quick glance at its history, review its current state focusing mainly on its applications in transitional flows and gas turbine combustor flows, discuss some major modelling and numerical challenges/issues that we are facing now and in the near future, and finish with the concluding remarks.     

吸气式高超声速飞行器俯仰/滚转耦合运动特性

针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞机开展了进气道通流状态下俯仰/滚转耦合运动相关研究。通过数值模拟获得了滚转单自由度静稳定性、动稳定性以及强迫俯仰/自由滚转运动下的两自由度耦合动稳定性，研究了飞行器转动惯量以及俯仰运动频率对耦合运动的影响，简要分析了耦合运动的机理。研究发现虽然此飞行器具有滚转静稳定性和动稳定性，但是在强迫俯仰/自由滚转运动过程中，滚转通道却出现了小幅度振荡与大振幅振荡交替出现的情况，最大滚转角超过70°。小幅度振荡出现在正弦俯仰振荡的上半周期，其振荡频率随轴向转动惯量增加而降低，幅值随俯仰振荡频率增加而增大；大振幅振荡出现在下半周期，其幅值基本不变，而振荡频率与俯仰振荡一致。这种现象基本不受惯性耦合作用影响，可以认为是由气动力主导的。