激光能量主动控制高超声速进气道研究现状

以注入激光能量的方式对高超声速进气道进行主动流动控制是提高超燃冲压发动机性能的一种重要方法。回顾了国际学者针对斜激波相互作用、Edney IV型激波相互作用和来流捕获这3项内容的控制方法和结果,为国内主动控制高超声速流场的研究提供了有益参考。     

双椭球和Edney-type Ⅳ激波干扰的高速流动数值模拟

气动热和激波干扰是高超声速流动研究的关键技术之一,为了实现对此类问题的准确数值模拟,采用基于有限体积法的多块结构网格自研软件,运用NS方程对典型算例双椭球和Edney-type Ⅳ激波干扰进行研究。结果表明:双椭球的主椭球前和两椭球相贯处形成两道激波,在小椭球上方相交产生干扰;双椭球上表面由于存在激波干扰,压强和热流变化较剧烈,下表面则变化较平缓。Edney-type Ⅳ激波干扰的入射激波和弓形激波相交形成超声速喷流区,在壁面附近终止于一道弓形滞止激波;物面压强和热流在超声速喷流冲击壁面处达到了峰值。文章获得了清晰的高超声速流场结构,验证了自研软件的模拟能力,为高超声速飞行器的数值预测评估提供了一定参考。     

高超声速流场中CO2的红外辐射研究

文中针对高超声速绕流场中驻点线上的CO2气体展开了辐射光谱的相关研究,分析了CO2 对 整个高超声速目标的红外辐射产生的影响。研究了以球体作为飞行本体,通过计算流体力学的方法,描述高超声速流场中驻点线的物理状态以及CO2的含量变化。以此为基础,通过逐线法计算了不同 飞行条件下绕流场中驻点线上CO2的辐射光谱。估算了发生烧蚀现象时,CO2的辐射光谱。通过理论 计算,发现在典型的高超声速飞行状态下,无烧蚀的纯空气高超声速流场中驻点线上CO2 的红外辐 射远小于飞行器本体的红外辐射。而在有烧蚀的情况下,激波层中的CO2的红外辐射将不可忽略。     

轴对称流场的计算流动显示算法

讨论了全息干涉、纹影、阴影的计算光学原理 ,对数值计算的结果进行图形处理以模拟光学仪器的工作过程。针对轴对称流场的特殊性 ,对三维的光程积分计算进行简化 ,采用环带法用二维的计算网格计算出三维的沿光线的积分结果 ,发展了一套轴对称流场的计算流动显示的快速算法。通过计算流场图像与试验流场图像的直接比较 ,可以验证数值计算的有效性。示例给出了弹道靶中高超声速钝锥流动的应用     

北京理工大学滕宏辉教授 空天动力技术的“爆轰燃烧”耕耘者

<正>流体力学极大地推动了近代科学技术和工程的进步与繁荣,尤其是在航空、航天、船舶、能源等工业领域。目前流体力学的前沿研究早已今非昔比,尤其是飞行器已经实现了“亚声速-超声速-高超声速”的覆盖,新型飞行器及其衍生的各种尖端技术的应用,对经济、政治、军事等各方面的影响是空前的,并将持续推动人类社会的发展和进步。北京理工大学滕宏辉教授,着眼于高超声速飞行器等领域的新技术研究,在满足国家重大战略需求的同时,面向世界科技前沿和国民经济主战场,提供新思想、开辟新道路,围绕复杂介质流体力学、激波与气相爆轰波、爆震推进中的流动问题等方面展开研究,取得了十分优异的成绩。     

高超声速拦截弹绕流红外辐射特性数值模拟

研究拦截弹绕流红外辐射特性对红外导引头设计具有重要意义。基于求解化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,对高超声速拦截弹化学反应绕流进行数值模拟。在此基础上,基于谱带辐射模型,对拦截弹侧面的光学窗口附近流场在0.8~20 m波段的光谱辐射特性进行数值计算,分析窗口附近流场红外光谱辐射随飞行参数的变化特征和规律。研究表明:拦截弹窗口流场光谱辐射主要来源于CO2和NO分子的振动-转动谱带;飞行马赫数一定,窗口流场光谱辐射沿飞行高度的变化规律主要由流场中气体分子的数密度分布主导;飞行高度一定,窗口流场光谱辐射随飞行马赫数的变化规律主要由流场温度控制,随着飞行马赫数增大,流场中NO分子的光谱辐射效应增强。     

硅基材料烧蚀产物对高温气体流场辐射影响

高温气体流场辐射特性在高超声速飞行器目标探测、识别和气动热环境预测等方面具有重要应用。基于带辐射模型,考虑硅基防热材料热化学烧蚀产物的可见光和红外辐射机制,建立了烧蚀产物光谱参数的计算方法,发展了高温气体烧蚀流场辐射特性计算软件。高温气体烧蚀流场的数值模拟结果,利用所发展的辐射计算软件,计算分析了自由飞弹道靶实验模型及高超声速钝头体流场的辐射特性,重点研究了各种烧蚀产物的影响。研究表明:烧蚀产物对流场红外辐射特性具有重要影响。     

内通道流场与光场能量耦合的数值模拟

对内通道中的热晕效应问题,完整求解流场与光场的能量耦合方程是一个非常有意义而又亟待解决的研究课题。借助流体力学模拟软件Fluent,通过解耦求解光传输方程和流体力学方程的方法,建立了较为完整的流场与光场耦合相互作用仿真平台。编写用户自定义函数,完成初始流场参数的读取,并进行光传输计算;将计算得到的光能以能量源项的形式添加到流场能量方程中去;借助现有的流场分析软件Fluent,对流场方程进行求解,并转入下一时间步的计算。对横截面为圆形的直管道结构,理论近似计算得到的结果与数值仿真平台计算得到的结果基本一致。     

GaN-MOCVD设备反应室流场的CFD数值仿真

采用计算流体力学方法对生长半导体材料GaN的重要设备MOCVD(金属有机物化学气相沉积)反应室中的流场结构进行了三维数值仿真.数值模拟采用基于非交错网格系统的SIMPLE算法,用有限体积方法对控制方程进行离散,并采用改进的压力-速度耦合方法进行求解.数值仿真给出了具有复杂几何结构和运动方式的GaN-MOCVD反应室中的流场结构,研究了改变几何尺寸和运行参数对MOCVD反应室流场结构的影响,对正在试制开发中的MOCVD设备的几何结构的改进和运行参数的优化提出了指导性建议.     

GaN-MOCVD设备反应室流场的CFD数值仿真

采用计算流体力学方法对生长半导体材料GaN的重要设备MOCVD(金属有机物化学气相沉积)反应室中的流场结构进行了三维数值仿真.数值模拟采用基于非交错网格系统的SIMPLE算法,用有限体积方法对控制方程进行离散,并采用改进的压力-速度耦合方法进行求解.数值仿真给出了具有复杂几何结构和运动方式的GaN-MOCVD反应室中的流场结构,研究了改变几何尺寸和运行参数对MOCVD反应室流场结构的影响,对正在试制开发中的MOCVD设备的几何结构的改进和运行参数的优化提出了指导性建议.     

Effects of the induced magnetic field on the magnetohydrodynamic channel flow

The effects of a nonuniform magnetic field on magnetohydrodynamic (MHD) channel flow between two parallel plates of infinite extent are investigated. Influence of the induced magnetic field, such that the magnetic Reynolds number is less than unity but greater than zero, is included. The goal is to use the MHD effects to reduce the amount of heat transfer from the fluid to the channel walls. Expressions for distortion in the magnetic and flow fields are obtained. A solution is then obtained using the perturbation theory in the expansion of the field components in a double-power series in RmandI. The pressure gradient along the channel wall is examined. A criterion is developed under which Rmmust be taken into account in determining the heat transfer between the fluid and the channel walls.     

Variable-velocity MHD induction generator with rotating-machine internal electrical efficiency

A traveling-wave, MHD induction generator with varying fluid velocity between inlet and exit can have the same internal electrical efficiency as a rotating induction generator. The fraction of electric retarding work converted to electric output at each station in the flow channel is (1 + s)^-1, where s is the local slip (U - Us)/Us, between the velocity of the fluid U and the velocity of the zero crossing of the magnetic field wave Us. To produce the rotating-machine efficiency, the product of magnetic field amplitude, wave velocity, and flow channel width is held constant from inlet to exit. The local slip can be freely chosen for maximum electric output from the fluid in the presence of friction, and the inlet magnetic field can be selected for maximum output after winding and end losses. An efficiency of 0.63 is found possible with a 325-kW lithium generator.     

Laminar flow in magnetically-focused cylindrical electron beams

The behavior of a cylindrical electron beam in a magnetic field is discussed in terms of a laminar-flow model. By numerical integration of the equations of motion, the maximum and minimum radii of excursion and the wavelength of the undulations for each electron are presented in graphical form for various boundary conditions on the electron beam. By the proper selection of the boundary conditions, e.g., magnetic field strength at the cathode, the graphs are utilized to describe Brillouin flow, space-charge-balanced flow, immersed flow, confined flow, and, in fact, any electron flow which satisfies the laminar flow criterion. The perturbations introduced by improper injection conditions for any of the flows mentioned can be read directly from the graphs. A study of the wavelength and the amplitude of such perturbations as a function of radial position in the beam determines if a given type of flow with given injection conditions satisfies the laminar flow criterion. The sensitivity of the various types of electron flow to misadjustments of the boundary conditions is clearly revealed by the graphs; e.g., the amplitude of the undulations in Brillouin flow is very sensitive to the adjustment of the magnetic field strength whereas, for immersed flow, a similar deviation in magnetic field strength has very little effect on the amplitude of the undulations.     

气动加热对红外成像的影响试验研究

介绍了在气动加热条件对红外成像的影响试验研究的情况,利用电弧风洞产生高温,高超声速流场,模拟红外窗口的气动加热,红外图像由高温黑体产生,利用高速红外热像仪接收红外目标的辐射。通过对穿过高温流场、模型之后的红外图像测量分析,初步揭示了气动加热对光学传输的影响。     

气动光学传输效应对星图影响的仿真研究

以星光导航在高超飞行器中的应用研究为背景,介绍了高超飞行器周围流场数值模拟方法;将湍流流场分为平均流场和脉动流场两部分,假定星敏感器开窗位置在机身圆筒部位,将恒星视作"点目标",应用几何光学法、物理光学法和统计光学法计算星光在飞行器周围流场中的气动光学传输效应;定性地描述了像模糊、像偏移和像抖动对星图的影响,通过仿真比较了不同波长、不同入射角下湍流流场对星敏感器成像的影响。     

电磁搅拌对激光熔池熔体流速及其凝固组织影响研究

为了研究电磁搅拌对TA15钛合金激光熔池的影响,构建了一种三相三极旋转式电磁搅拌器作用下微小熔池内部的磁流体力学数学模型。运用该模型计算了不同激励电流情况下磁场中心处的磁感应强度和熔池内熔体周向流速,分析了其对熔池温度分布和组织形成的影响。并采用试验手段对分析计算结果进行了验证。结果表明:电磁力驱使熔体作周向运动,且随着远离磁场中心,洛伦兹力越大,周向流速越大。随着激励电流的增大,磁感应强度增强,熔质周向流速增大。流速加剧能够降低熔池内温度及凝固界面处的温度梯度,有利于等轴晶的增多。试验证明施加磁场后熔池顶部组织出现等轴晶,且随着远离磁场中心,熔池顶部的等轴晶数量逐渐增多,与计算结果的分析趋势相吻合。     

高超声速飞行器热喷高温燃气红外辐射特性数值模拟

喷流反作用控制系统（Reaction Control System, RCS）热喷高温燃气辐射效应对飞行器光学探测跟踪具有重要影响。基于谱带辐射模型,通过求解带化学反应源项的三维Navier-Stokes方程和辐射传输方程,对高超声速飞行器喷流反作用控制系统热喷干扰流场及其红外辐射特性进行了数值模拟,分析了二次燃烧效应、不同飞行条件以及不同观测角度对流场红外辐射特性的影响。研究表明:典型状态喷流辐射计算与实验测量结果一致,流场与红外辐射数值方法具有较好的适应性;飞行器RCS工作所形成热喷干扰流场的红外辐射,主要由喷流燃气中的CO₂和H₂O组分贡献,其中CO₂对辐射的贡献更大,流场中二次燃烧效应对流场辐射强度有显著影响,在20 km高度下可使流场辐射强度提高一倍以上;随着马赫数/高度的增加,流场辐射强度均呈现先略有减小,后增大的趋势,随着高度增加,二次燃烧效应对流场辐射强度的影响明显减弱;由飞行器RCS工作引起的辐射增量十分显著,俯视观测以及3~5 μm波段的目标辐射强度最大。文中的研究结果可为飞行器探测跟踪提供参考。     

Flow assignment method with traffic characteristics over multiple paths for reducing queuing delay

In traffic engineering (TE), it is vital to take traffic characteristics of the flows into account in appropriately assigning the flows to multiple network paths to achieve better delay performance as a whole in order to effectively distribute traffic flows over the paths. This paper presents a novel traffic characteristic-aware flow assignment method to reduce the queuing delay in a fundamental case where two types of flows with distinct traffic characteristics (e.g., burstiness) are distributed into two paths. First, we extensively analyze the queuing delays in assigning flows in the manner of various combinations of flows in terms of minimizing the worst queuing delay among two paths and show that it is not easy to find the optimal flow assignment when the paths have different bandwidths. Second, we propose an on-line flow assignment method for the different-bandwidth paths and show that the numerical simulation with the method finds a nearly optimal flow assignment and outperforms up to 40% compared with the conventional path-bandwidth-based flow assignment. Our evaluation suggests that considering the traffic characteristics in the flow distribution over multiple paths significantly improves the delay performance when the flows have distinct characteristics.     

基于人工电磁结构的天线波束控制技术

波束前倾结构后置天线(Forward Tilted Beam and Back-placed Antenna, FTBBA)在高超声速小型飞行器领域有广泛应用。文中采用水平磁+电壁构成端射元,利用电与磁的二重性原理和Yagi天线理论,构建C波段波束前倾结构后置微带八木天线以实现端射。同时,利用栅格结构人工电磁材料(Artificial Electromagnetic Structures, AEMS)抑制表面波,减小杂散电磁波对端射方向图和极化纯度的影响。此外,围绕高超声速小型飞行器天线的共形需求,将两组FTBBA共形于典型的高超声速飞行器表面以实现双极化端射。该天线能够在5.2～5.9 GHz实现VSWR<2 (相对带宽为12.6%),增益>11 dBi,主瓣波束宽度约20×32°。该天线突破端射波束控制技术,解决了常规技术手段难以克服的高速飞行器结构后置和波束前倾相互制约等技术难题。