高超声速三维化学非平衡流动的数值模拟

高温非平衡化学反应对高超声速再入飞行器绕流流场的气动热特性有较大影响.通过采用有限体积NND(Non-oscillatory, containing No free parameters and Dissipative scheme)格式求解三维N-S方程,分别计算了小攻角条件下球锥的完全气体粘性流场和化学反应非平衡气体流场.比较并分析了化学非平衡作用对三维高超声速钝头体绕流流场的影响.所得结果与国外文献结果符合的较好,证明了计算方法与程序的有效性和实用性.      

热流测量技术发展综述

文章首先回顾、梳理了热流测量技术的发展过程,然后将热流计从工作原理上分为基于温度梯度、基于能量平衡和基于半无限大体假设3大类,重点介绍了每一类别对应的热流计结构形式、应用情况和测量范围等,并对热流计的标定方法进行简述,最后对热流测量技术的发展趋势进行展望。     

表面热流辨识结果的误差分析与估计

对于工程上的表面热流辨识问题,通常希望能够根据测量精度对辨识结果误差进行快速估计,用以优化测试方案。本文首先对给定单一频率的热流辨识误差进行定量分析,建立了辨识误差与热流频率和测量精度之间的响应面模型。然后对多个给定频率组合情况下的辨识误差规律进行分析,结果显示,频率组合热流中的低频分量能在辨识结果得到较好地复现,高频分量是导致辨识结果出现误差的主要原因。因此,辨识结果精度可以通过最高频率热流分量的辨识误差与测量精度之间的对应关系来进行大致估计。基于这一认识,本文利用时域不同频率组合的热流分量在频域可解耦的性质,通过Parseval定理得出高频分量的能量占比,建立了频率组合热流的辨识误差估计方法,并通过算例进行了验证。     

三阶HWCNS的构造及其在高超声速流动中的应用

对网格质量要求高、计算稳定性差和计算效率低是制约高阶精度格式应用于高超声速复杂流动模拟的重要因素。针对这些问题,发展了三阶精度的混合节点半节点加权紧致非线性格式(HWCNS3),改进其光滑测试因子和非线性权得到了HWCNS3-OP,并给出了它们的频谱特性。利用Lax和Osher-Shu算例测试了格式对间断和高频波的捕捉能力;通过钝锥和航天飞机的高超声速绕流算例,考察了HWCNS3-OP在真实流动模拟中热流和气动力的预测精度及其计算效率。研究结果表明:HWCNS3-OP具有较高的分辨率和良好的间断捕捉能力,高频波捕捉能力相对HWCNS3提高了约3倍,相对守恒律的单调迎风中心格式(MUSCL)提高了约4倍;HWCNS3-OP计算稳定性较好,计算效率相对五阶HWCNS提高了2~3倍,HWCNS3-OP是一种较适合高超声速复杂流动模拟的高阶精度格式。     

一种频域插值变化迭代频率估计方法

针对现有频率估计算法存在的复杂度高、频率估计能力弱、估计结果均方差大等缺点,在固定迭代AM（Aboutanios—Mulgrew）无偏频率估计算法基础上,提出一种频域插值变化迭代频率估计算法,推导了不同迭代参数实现无偏估计的充分条件,证明了有偏估计时本算法的收敛性和偏离度,通过设置不同迭代参数,可以实现无偏或有偏估计。仿真分析表明：当具有较高信噪比时,在整个频率估计范围内,该方法均方误差接近CRLB（Cramer-RaoLowerBound,克拉美一罗下限）;当FFT（FastFourierTransform,快速傅里叶变换）粗估计残余频率接近0．5时,该方法的均方误差优于CRLB,为CRLB的96％。     

高速热流下薄壁结构声振响应分析及寿命预估

现代飞行器飞行过程中发动机薄壁结构受高速热流冲击面临着极为严酷的工作环境,使结构产生大挠度动力学响应以及疲劳损伤破坏现象。为获取难以实测的热流冲击下结构声振响应规律及疲劳破坏时间,采用耦合有限元/边界元的方法进行数值模拟分析与热声疲劳试验相结合的方法,根据载荷效果构建与试验件尺寸完全一致的数值仿真模型,对热声载荷下薄壁结构进行仿真计算。采用功率谱密度（PSD）法分析频率响应峰值随声载荷变化规律,并通过改进的雨流计数法对声振响应数据进行统计分析,得到疲劳寿命时间。并对比声振响应仿真计算结果与试验结果发现误差小于2%,验证了数值仿真的可靠性。在此基础上,对高速热流冲击作用下薄壁结构进行数值仿真分析,通过分析频率响应峰值随温度和流速的变化规律获取不同温度各流速下结构声振响应及疲劳寿命变化规律,并阐述造成这种变化的原因。本文完成的工作可对高速热流环境下薄壁结构响应分析和寿命预估提供参考依据。     

六面体小微卫星散热面最优化设计

以散热面吸收外热流最小为目标函数,建立了基于六面体卫星的散热面最优化设计模型,并以某倾斜轨道六面体小微卫星为例、针对不同卫星热耗分别得出了最优化的散热面布局。计算结果表明:采用文章所述的最优化设计方法得到的散热面布局,可以有效降低由于卫星吸收外热流变化造成的整星温度的波动,可以为六面体卫星散热面的优化设计提供理论支持;进一步分析表明,不同热耗水平的卫星对应不同的最优化散热面布局。     

高超声速气动热辨识技术实验研究

为估计高超声速飞行中的气动热流,采用热流辨识技术研究了平板表面的气动热流。首先采用仿真数据对辨识方法进行验证,结果表明,在测量噪声较低时热流辨识结果误差较小。此后,开展了平板的高超声速气动热风洞实验,通过内埋热电偶测量平板内部温度,采用热流辨识法获得平板表面的气动热流,采用辅助测点对比验证了内埋测点辨识结果的可信度。最后将辨识结果与平板边界层热流理论估算结果进行对比,分析了两者产生误差的原因。本文的研究为热流辨识技术的实际应用奠定了基础。     

SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运（SST）湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小（TVD）格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明：SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。     

精密卫星钟差分形插值算法研究

研究发现精密GPS卫星钟差时序满足三阶平稳假设,由此提出了计算卫星钟差分形维的多阶分形变差法,进而提出了基于分形维确定垂直比例因子的精密卫星钟差分形插值算法。将新方法应用于2010年8个节气日的32颗GPS在轨卫星钟差分形维计算,并选取Block IIA、IIR和IIR\|M各2颗卫星进行钟差插值精度比较。结果表明,分形维可作为定量描述卫星钟差动力学特征的不变量指标;分形插值算法优于三次样条和切比雪夫算法,可以满足快速与高采样率精密卫星钟差应用需求。