基于遗传算法和空间推进方法的高超声速进气道优化设计研究

将遗传算法（单目标遗传算法GA和多目标遗传算法NSGA-Ⅱ、NCGA）与高效、高精度的卒间推进方法——SSPNS（Single-sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）流场计算方法相结合，对二维高超声速进气道进行了气动优化设计研究。在单目标优化设计中以巡航点（Ma=7．0）的总压恢复最大为设计目标，多目标设计中则在巡航点分别考察了总压恢复最大-压升最大两目标模型、总压恢复最大-压升最大-阻力系数最小三目标模型。优化设计结果表明，单目标设计使得总压恢复有明显提高；多目标优化设计所得的Pareto最优前沿为设计者提供了可靠的设计依据。为了兼顾巡航点和加速爬升段的综合忭能，采用多目标优化方法对进气道进行了多点优化设计，并开展了基于等动压弹道的设计点选择问题初步研究。计算结果表明，若将设计点选在Ma=6．5左右，则进气道的综合性能较好。     

喷管内横流流场的数值模拟

采用显式的原始ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂格式和改进的ＴＶＤ ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式分别求解了二维轴对称喷管内横流流场的Ｎ－Ｓ方，得到了与理论分析结果相近似的流场结果图谱，并对以上两方法得到的结果进行了比较，结果表明：ＴＶＤ的方法具有更高的精度。文中还介绍了一种基于ＴＴＭ方法的改进的网格生成方法，用于生成贴壁性和正交性都比较好的网格，实现了完全由边界网点分布来确定内部网格点的分布。     

以粉末燃料冲压发动机为动力的火星巡航飞行器方案初步研究

为设计以粉末燃料冲压发动机为动力的火星巡航飞行器,研究了飞行器巡航马赫数对进气道动能效率、压比和总压恢复系数的影响,设计的巡航飞行器在火星5 km高度以5 Ma的速度巡航,冲压发动机进气道动能效率为0.88,压比为100,总压恢复系数为0.163;对以硼粉、铝粉和镁粉为燃料的冲压发动机进行了理论性能计算,选择镁粉作为冲...     

流向涡与斜激波相互作用的试验研究和数值模拟

为研究流向涡与斜激波相互作用在超声速燃烧中的应用,进行了由翼产生的流向涡与楔块产生的二维斜激波相互作用的燃烧室冷流试验研究.在不同激波强度下,纹影仪捕捉到了强、中、弱不同的涡/波作用现象.仿真与试验结果符合得较好.试验结果表明:对马赫数为2.3流场,在翼攻角10°时,能产生强流向涡,此工况下,锲角越大,涡/波作用越强.仿真结果表明:马赫数对涡/波作用影响较大,总压影响不明显,总温可影响亚声速回流区的尺寸.      

基于气动斜坡/燃气发生器的超燃燃烧室实验

为探索超燃冲压发动机燃烧室中的新的火焰稳定技术,提出了一种新型被动式燃料掺混增强技术—气动斜坡与燃气发生器组合燃料喷注技术,并在北航直联式超燃试验台对这种新型组合喷注器开展了超声速燃烧的试验研究。在模拟飞行马赫数5(燃烧室入口Ma=2),进行了冷流试验,获得了喷注器附近流场的纹影图像。本文设计了4种气动斜坡喷注单元,以乙烯为燃料,在约1kg/s试验气流中开展了多级喷注单元组合的超声速燃烧试验,在当量比0.78～1.22范围内实现了稳定的燃烧,经冲量分析法计算得到不同组合结构的燃烧效率为0.54～0.72。试验结果验证了这种新方案作为超然冲压发动机火焰稳定装置的可行性。     

超燃冲压发动机缩比燃烧室流场数值模拟

为了采用二维N-S方程来研究带有垂直喷射的三维问题,即拓展二维模型的适用范围,提出了一种针对喷射的简化模型,即采用源项加质来近似模拟喷射的质量添加。为了验证这种简化的可行性,针对文献中的实验条件进行了对比计算。结果表明,数值模拟与实验点符合得较好。运用以上简化模型,对放置在自由射流实验台上的缩比超燃冲压发动机燃烧室流场,采用五组元单步反应模型进行了数值模拟,得到了各主要气动参数及组分质量分数的分布,表明,根据数值模拟所得到的壁面静压值与实验壁面压力符合得较好。      

基于火焰面模型的推力室起动过程仿真

采用计算流体力学的方法,对氢氧火箭发动机推力室的起动过程进行了数值仿真.起动的非定常过程由双时间步方法模拟,燃烧过程由稳态层流火焰面模型模拟,火焰面建库采用6组分8步反应的化学动力学模型.按照地面试车时序进行推力室起动过程仿真,获得了起动过程的建压曲线以及详细的流场建立过程.结果表明,经过点火瞬间压力松弛控制的稳态层流火焰面模型可用于火箭发动机的点火过程动态仿真,仿真得到的压力曲线与试车曲线相比符合良好.     

高超声速飞行器后体喷管三维构型设计

为研究高超声速飞行器后体喷管三维构型的设计,以NASA半壁喷管试验为参考,进行了二维及三维内外流相互作用的数值模拟计算,分析了后体喷管三维流场的特点.从高超声速飞行器机身推进一体化的角度,构建了后体喷管三维构型,进行了不同构型设计对后体喷管性能影响的参数研究.结果表明:后体喷管的三维效应不可忽视,后体喷管侧壁的存在及下壁面长度对性能影响较大.      

超声速气流中横向射流雾化实验和数值模拟

为了对超声速气流中的横向射流雾化过程进行研究,在直连式实验台上进行了超声速气流中的横向射流雾化实验,并对实验工况进行了数值模拟.超声速来流的马赫数为2,实验喷雾的动压比范围为1.～11.7,实验工质为水.采用纹影法对射流雾化过程进行了拍摄,得到了有雾化的超声速流场结构和穿透深度拟合公式.同时采用欧拉-拉格朗日两相流计算方法对实验工况进行了数值模拟,雾化模型采用了一种新型K-H(Kelvin-Helmholtz)和R-T(Rayleigh-Taylor)混合模型,数值模拟与实验结果符合较好.      

多喷嘴构型的轴对称氢氧加热器设计与仿真

为了使氢氧燃烧加热器满足自由射流试验台工作需要并获得均匀的出口气流参数,采用同轴剪切式7个喷嘴轴对称构型喷注器,利用CFD仿真软件对其进行了三维反应流场计算,燃烧模型采用氢氧单步反应模型,获得了设计工况下的参数.计算结果表明:燃烧效率随着中心喷嘴与外围喷嘴距离L与喷注面板半径R之比(L/R)的增大先上升后下降;喷注面板的温度随着L/R的增大而降低,最终维持在600K左右;加热器出口的氧气摩尔分数以及总温的均匀性基本不随着L/R变化而变化;出口主流区的马赫数在6左右满足设计要求.在各个喷嘴的影响区域大致相等时,加热器综合性能良好.氢氧速度比越大,完全燃烧所需区域越短,喷注面板温度越高.与单喷嘴、19个喷嘴的加热器比较发现7个喷嘴的构型较为合理.