增强高超声速化学反应流数值计算的稳定性方法

针对高超声速化学反应流数值模拟中包含源项对角化雅可比矩阵的数值格式稳定性很差的问题,在对采用上下对称的高斯-赛德尔(LU-SGS)格式的离散方程进行线性稳定性分析的基础上,提出一种依据流动状态对流场的块网格进行局部加密的方法,以增强流场数值计算稳定性。在高超声速流场中,对包含激波后亚声速高温区域的块网格给予加密,而其他区域中的块网格可以适当进行网格粗化或保持不变。算例结果表明,相比于初始网格,局部加密后的改进网格并不会产生过多的网格量,而且能够采用较大的柯朗-弗里德里奇-列维（CFL）数以达到数值求解过程中稳定计算和快速收敛的目的。     

咽式进气道设计工况下性能初步分析

介绍了三维内收缩高超声速咽式进气道的设计方法,开发了相应的设计程序.在高度为30 km,设计马赫数为5和攻角为0°工况下进行设计,使用CFD模拟技术,对设计方法和程序进行了验证.最后采用设计程序,考虑咽式进气道的设计参数,即流线追踪出口形状、基准流场压缩角和设计马赫数等,对比分析了其对咽式进气道设计工况下几何与气动性能的影响.结果表明:矩形出口宽高比接近2时,总长、润周面积等几何性能相比较小宽高比时更好.初步设计可以将压缩角配置在8°~12°范围内,且后压缩角小于前压缩角.      

气动热数值模拟中壁面热流后处理方法

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果也会有较大差异,且表现出不同的网格依赖性.微分法对网格的依赖性较大,单纯提高差分精度不一定能够减弱网格依赖性和提高计算精度,还与近壁处网格分布密切相关;积分法从能量平衡积分方程出发,极大地减弱了网格依赖性,具有较高的计算精度.所提出方法具有与积分法相当的网格依赖性和计算精度,尤其在驻点区域,其网格依赖性更弱于积分法,且计算简单,提高了计算效率.      

考虑进气约束的高超声速飞行器预定性能控制

针对高超声速飞行器跟踪误差瞬态性能约束与发动机进气条件约束问题,提出约束预定性能控制方案。首先,设计新型设定时间性能函数用于限定跟踪误差的瞬态与稳态性能。相比传统方法,新型方案可保证性能函数在设定时刻精确收敛至稳态值,同时可灵活调整函数初始收敛速率,避免控制饱和。其次,将速度与高度受约束跟踪误差进行无约束转换,通过控制转化误差有界满足原始跟踪误差的预定性能约束。在高度子系统中,通过结合预定性能控制限定攻角变化范围,能够满足发动机进气需求。最后,以考虑参数摄动的吸气式高超声速飞行器为对象执行对比仿真,结果表明所提方法能够有效满足跟踪误差的性能约束与发动机进气约束。     

高超声速内收缩进气道分步优化设计方法

提出了基准流场与唇口平面形状分步优化的高超声速内收缩进气道设计方法。基准流场以反射激波不均匀性最小和总压恢复最大进行多目标优化设计,使用结合Tayler-Maccoll方程的有旋特征线方法(MOC)进行流场计算,获得双拐点母线内收缩锥基准流场。进气道唇口形状以沿流线积分(Streamline Integral Method, SIM)获得的进气道无黏阻力最小为目标进行优化设计,获得类椭圆形唇口平面形状。针对优化设计结果进行数值模拟,与传统直母线基准流场相比,双拐点母线基准流场反射激波后流动不均匀性下降40%左右,总压损失减少35%左右,总体性能提升明显。类椭圆唇口进气道在设计点的单位质量流量无黏阻力相较于圆形唇口降低6%,具有良好的压缩特性和气动效率,能够减弱进气系统对飞行器气动性能的不利影响。研究结果表明该方法是一种高效且实用的高超声速内收缩进气道设计方法。     

近空间高超声速流场通量分裂型DSMC-IP方法

针对近空间高超声速流场的特点,采用Van Leer格式对直接模拟蒙特卡洛-信息保存(DSMC-IP)方法质量守恒方程中的计算格式进行改进.将局部马赫数作为分裂通量的标准,并重构单元分界面两侧的左右输运通量,使得计算格式具有通量分裂的特点,解决了DSMC-IP方法在高超声速流场计算中的应用问题.将改进后的通量分裂型DSMC-IP方法引入非结构网格中,对二维近空间高超声速流场进行数值模拟.计算结果表明:通量分裂型DSMC-IP方法所得出的数值结果与实验值及参考值符合较好,明显降低了直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法所带来的统计耗散.当来流气体的稀薄程度增加时,其非平衡效应也更加明显,而通量分裂型DSMC-IP方法的计算结果与参考值相差均在10%以内,良好地反映了非平衡条件下的流场特征,验证了通量分裂型DSMC-IP方法的可行性和有效性.      

横截面形状对超声速磁流体发生器性能的影响

通过三维数值模拟研究了不同横截面形状的磁流体(MHD)发生器的热、电磁流动特性,发生器入口采用超声速来流条件,旨在应用于磁流体旁路超燃冲压发动机推进系统。数值模拟采用低磁雷诺数下磁流体五方程模型,通过熵条件格式和超松弛迭代(SOR)法联合算法分别求解Navier-Stokes方程组和电势方程。研究表明在电极壁面上电场、电流以及洛伦兹力等电磁场参数呈周期性变化,由于电极端点效应,电磁场参数在电极端点出现周期性的极值,而在管道中心电极端点效应对电流影响并不大,沿着流向电流保持连续变化。对不同管道横截面形状的发生器的数值模拟表明:由于涡电流和二次流效应的影响,形状参数较小的发生器焦耳热较为严重,二次流较弱;而形状参数较大的发生器焦耳热较小,二次流增强。因此,当形状参数α=0.8时可获得较好的焓提取率和电效率。     

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。     

高超声速复杂流动中的限制器效应数值仿真

从理论分析和数值计算两个方面,对计算流体动力学(CFD)计算中常见的几种MUSCL型迎风式限制器耗散特性进行了研究,包括superbee限制器、van Albada限制器和两种minmod限制器。首先从理论上证明minmod限制器可以是耗散性较小的压缩型限制器,前人关于minmod限制器完全是耗散型限制器的认识是不准确的。其次,通过NACA0012翼型绕流计算表明,限制器耗散特性会对数值计算收敛过程产生重要影响,耗散性越小,如superbee限制器,则收敛越困难。第三,通过一个有实验结果的24°压缩拐角高超声速复杂流动数值计算,进一步澄清了前人关于minmod限制器耗散特性的不准确认识,得到了与理论分析相一致的计算结果,即 minmod 限制器可以是耗散性比Albada限制器更小的压缩型限制器。计算结果表明,对于包含强激波的高超声速复杂流动,本文使用的minmod限制器比superbee限制器和van Albada限制器更容易满足稳定性和高精度的计算要求。     

重气体介质中超临界翼型跨声速流动特性

采用Peng-Robinson非理想气体状态方程模拟重气体介质的热力学特性,并与雷诺平均Navier-Stokes方程结合,形成封闭的重气体介质流动模型。针对超临界翼型流动问题,利用LU-SGS（lower-upper symmetric Gauss-Seidel）隐式时间推进格式和有限体积法,分别求解空气介质和重气体介质下的流动特性。数值模拟结果表明:在跨声速条件下重气体介质中超临界翼型的升阻力增大、超声速区域表面负压增加、边界层位移厚度减小、激波后移、表面摩擦阻力明显增大、后缘流动分离推迟。该研究为后续重气体介质中飞行器颤振特性研究及修正方法的发展提供了基础支持。