化学非平衡流动解耦算法的回顾与新进展

超声速化学非平衡流动的数值模拟一直是计算流体力学领域的难点,主要体现在如下几个方面：物理过程非常复杂,存在着激波、燃烧波等各种复杂波系的相互作用;超声速化学非平衡流动属于典型的时空多尺度物理问题,其控制方程存在严重的刚性,给数值求解带来了很大困难。对国内外的解耦算法研究现状简单综述后,主要介绍1993年刘君提出的解耦算法的理论基础,流动方程采用冻结流模型,源项方程模拟流体微团在当地绝热、定容的热力学系统内发生的化学反应过程。通过引入两个中间变量,即等效内能和等效比热比,将与温度无关的生成焓从流动方程组能量项中分离出去,源项方程组中包含等效内能,使用不同算子对流动方程和源项方程解耦求解。与传统解耦算法相比,源项方程的求解过程中包含状态参数和组元同时变化。结合刘君解耦算法机理和有限体积法空间平均特性,介绍近期在提高算法计算效率方面的研究进展,包括流动方程优化算法和耦合过程优化。采用优化算法对经典的激波诱导燃烧算例进行数值模拟,与不同文献结果进行对比,验证了优化算法的时空精度。通过总结经验发现化学非平衡反应仅发生在流场局部区域,提出质量生成率判据,结合相应模拟结果验证了方法的可行性,可以进一步提高化学反应算子的计算效率。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

间冷回热循环航空发动机参数匹配研究

在常规大涵道比涡扇发动机热力循环基础上增加间冷过程和回热过程,发展了间冷回热循环航空发动机(IRA)的计算模型和相应的性能仿真程序.分析了采用间冷回热技术的分排大涵道比涡扇发动机的热力循环参数选择与匹配.结果表明:间冷度、回热度、外涵道间冷用气量、增压级和高压压气机压比分配、总增压比、涵道比等热力循环参数对IRA的性能有很大影响;合理应用间冷回热技术,并优化发动机热力循环参数匹配可以显著改善发动机的性能.      

普朗特-迈耶流中湿空气非平衡凝结影响的研究

普朗特-迈耶流是飞行器设计过程中一种重要的基本流动.本文发展了求解湿空气非平衡凝结流动的数值方法,对凸角分别为90°和40°的湿空气来流条件下的普朗特-迈耶流动进行了数值模拟,并且与试验结果进行了对比.90°凸角时,膨胀扇内静压分布的计算值与试验结果吻合良好.40°凸角时,膨胀扇内密度的计算值与试验值吻合良好;随着来流相对湿度的增加,凝结起始位置向上游移动而最大成核率减小.膨胀扇内的湿空气非平衡凝结显著改变了压力、马赫数、温度等参数的分布.     

Influence of fuel injection position and equivalent mixture ratio on chemical non-equilibrium effects of single expansion ramp nozzle

Chemical non-equilibrium flow was investigated for the scramjet single expansion ramp nozzle(SERN) with a strut-based liquid-kerosene-fueled combustor.Two-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations were solved with the species conservation equation for continuous phase and the renormalization group(RNG) k-ε turbulence model.Lagrangian discrete-phase model was analyzed for liquid-kerosene droplets behavior in the supersonic stream.Combustion was simulated by kerosene surrogate fuel's 10-species and 13-step reduced reaction kinetics mechanism with use of Arrhenius's laminar finite rate model.Parametric studies were carried out to estimate the influence of different fuel injection positions and equivalent mixture ratios on the SERN chemical non-equilibrium effects.Numerical calculation results show that the strut-based combustor enables convenient modeling of various SERN entry conditions,which is similar with many preceding investigations,by changing the injector strut position and controlling the mass flow rate of each injector.Chemical non-equilibrium effects function in the whole SERN,especially in the initial flow expansion region,leads to obviously higher SERN performance of the non-equilibrium flow than that of the frozen flow.Furthermore,the distributed fuel injection pattern plays a significant role in enhancing the combustion efficiency in combustor,but weakening the chemical non-equilibrium effects funciton in SERN.Additionally,while the equivalent mixture ratio increases,the SERN thrust coefficient and lift coefficient rise gradually,and the increment of non-equilibrium flow in relation to frozen flow becomes higher as well.To be specific,the equivalent mixture ratio is 0.6,the maximum increment of thrust coefficient and lift coefficient are 11.6% and 25% respectively.      

前缘钝化和化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道特性的影响

为了探究前缘钝化、化学非平衡效应对斜爆震发动机进气道的工作性能及出口温度边界层分布的影响,采用热完全气体、化学非平衡气体两种模型对不同顶板、唇口前缘钝化半径下斜爆震发动机进气道进行数值模拟,结果表明：相比基准进气道,钝化后进气道上壁面温度边界层厚度较大,下壁面温度边界层厚度较小;在化学非平衡气体模型下,顶板前缘钝化半径(R1)>2mm时进气道的顶板附近和分离区内离解反应较为明显,唇口前缘钝化半径(R2)>2mm时进气道的唇罩、唇口板附近离解反应较为明显;当钝化半径≥4mm时,两种气体模型下进气道出口总压恢复系数和静温的相对变化量绝对值大于0.5%,有必要考虑化学非平衡气体效应对进气道出口性能的影响。     

非平衡态材料的热塑性挤压合金化制备

采用热塑性挤压合金化制备非平衡态材料,并研究了材料的微观组织。结果表明:Ti-Al系材料内存在TiAl3、Ti2Al3、Ti3Al、TiAl和Ti5Al3等化合相,热塑性挤压合金化可以显著减小Ti-Al系合金的晶粒尺寸;在挤压变形方向,挤压材料具有成分不均匀性,前部和后部的Ti/Al原子比均低于中部;经500℃/6 h热处理后,Ti相完全转化成Ti-Al化合相。     

间冷循环热力学特征及参数化分析研究

间冷循环技术是大幅提升燃气轮机性能的有效手段。采用图解法分析了间冷热力循环的技术特征,并运用数学推导论证了间冷循环技术可以提高燃气轮机输出功率和热效率的本质。通过搭建数学模型,编制了计算程序,进行了燃气轮机简单循环与间冷循环参数化计算分析,重点进行了总体方案设计中压比分配原则的研究,并结合实际工程案例的参数分析予以佐证。结果表明:在低压和高压压比为0.3左右时,间冷燃气轮机的综合性能最佳。     

面向对象的先进循环燃气轮机工质热物性计算方法

先进循环是燃气轮机发展的重要方向,1套通用先进循环工质热物性计算方法对先进循环研究具有重要意义.以工质最为复杂的化学回热循环为例,建立了1套通用的工质热物性计算方法,并论证了该方法也适用于其他先进循环.基于面向对象方法建立了1套计算系统并采用C＋＋语言编制其计算程序,验证了空气和水蒸气的热物性计算精度,最大误差为0.00852％.采用该热物性计算方法计算了1个化学回热循环的热力过程;在给定的条件下其效率比简单循环效率提升32％,达到47.32％.结果表明：所提出的热物性计算方法计算准确,通用性强,为先进循环研究提供了基础.     

固液混合火箭发动机喷管流动计算

利用二维轴对称 N-S方程和组分方程对选用液氧 /端羟基聚丁二烯推进剂的固液混合火箭发动机喷管流动进行了计算。计算采用 LU时间隐式格式、MUSCL空间离散和 Van Leer矢通量分裂方法 ,8组分 1 0反应的化学反应模型 ,对化学源相进行了点隐式处理。喷管入口条件通过燃速计算和热力计算得到 ,计算了多个氧化剂流率和装药长度情况下的喷管流场 ,分析了真空比冲和推力与氧化剂流率的关系 ,为固液混合火箭发动机喷管设计提供了依据