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<正>德克萨斯AM大学对高超声速层流-湍流附面层转捩研究进行首次评估2010年6月9日,德克萨斯AM大学的航空航天系主持了对其国家高超声速中心的高超声速层流-湍流附面层转捩研究工作的第一次评估。     

高超声速飞行器转捩特性及表面特征研究

高超声速飞行器飞行时,会出现转捩问题,其对飞行器力/热特性和飞行器的设计均有显著影响。本文采用数值和工程方法相结合,对高超声速飞行器迎风面的转捩情况进行预测,同时对飞行器表面粗糙度和表面缺陷对转捩特性的影响进行研究。本文得到了飞行器飞行的转捩高度,同时,获得了转捩特性与表面粗糙度、表面缺陷的相关关系,对该类飞行器的设计有一定借鉴意义。     

高超声速飞行器尾迹转捩及其对雷达散射截面的影响

当飞行器在大气层中以高超声速飞行时,在下游形成的等离子体尾迹有可能引起雷达散射截面（RCS）突增现象,影响飞行器的探测、跟踪和识别。在自由飞弹道靶上开展高超声速模型流场特性试验研究,测量不同马赫数和靶室压力下模型尾迹的流场结构和转捩位置,利用转捩准则对试验结果进行分析,讨论了转捩位置变化对高超声速飞行器RCS特性产生的影响。结果表明：模型特征尺寸、飞行马赫数和压力等是影响转捩位置的主要参数;尾迹对高超声速飞行器RCS的影响非常复杂,将改变RCS大小,使雷达成像变模糊甚至产生假目标。     

边界层转捩在高超声速飞行器外形设计中的应用

介绍了吸气式高超声速飞行器边界层转捩的特点及在设计环境方面的影响. 讨论了美国高超声速计划飞行器的外形选择从轴对称演化到尖劈状外形的过程. 分析了钝头体前缘钝化程度、壁面温度、逆压梯度对转捩的影响. 研究了来流马赫数、雷诺数、攻角对飞行器驻点气动热的影响. 使用基于线性稳定模型的emalik程序计算了转捩现象.     

边界层转捩飞行测量方法及实现

针对高超声速边界层转捩飞行试验研究的需要,通过一体化的变厚度薄壁测温和热流辨识方法,利用测量薄壁内壁温度辨识表面热流可实现飞行器表面转捩位置的测量。考虑到飞行器高速飞行过程中表面气动加热和振动环境要求,对测量结构和机体结构开展了一体化模块设计,提高了测量结构的整体承载抗热振能力;利用热振联合地面试验系统,在飞行状态地面模拟条件下,对测热部件进行了热振联合试验考核,验证了测量结构的安全性和可靠性。地面热振联合试验和飞行试验结果表明,该型转捩测量结构可承受飞行条件气动加热和振动环境,能迅速地响应和准确地反映气动加热环境热流的变化,可准确捕捉飞行条件下高超声速边界层转捩现象。获取的热流转捩测量数据,可为高超声速转捩预测计算模型提供校准数据。     

二元高超声速进气道再起动特性研究

以时均化N-S方程为控制方程,采用变比热容的热完全气体模型和SST湍流模型,对二元混压式高超声速进气道的再起动特性进行了数值仿真。重点分析了来流马赫数、内收缩比、附面层厚度等参数对进气道再起动特性的影响,并详细分析了各因素的作用机制。研究表明,来流马赫数、内收缩比和进入进气道的附面层厚度是决定高超声速进气道再起动特性的关键因素,内收缩比较大、附面层较厚的进气道再起动迟滞回路较宽,再起动马赫数较大;附面层厚度和内收缩比决定了二元高超声速进气道不起动流场的典型特征。     

RBCC高超声速飞行器粘性效应分析研究

针对高超声速飞行器飞行过程中粘性对气动特性的干扰效应,探讨了高超声速粘性效应的相关理论,应用CFD数值模拟方法对RBCC高超声速飞行器巡航阶段的粘性效应进行了研究,在此基础上考察了粘性对高超声速飞行器轴向力系数和升阻比的影响.计算获得了飞行器巡航阶段下的气动特性曲线.将其应用于高超声速飞行器概念设计中,数值模拟结果作为高超声速飞行器结构和气动分析的初步准备工作是必须及合理的.     

基于工程快速计算方法的高超声速高升阻比飞行器气动特性研究

基于工程快速计算方法研究了高超声速高升阻比飞行器过渡流区气动特性.首先应用一与所研究飞行器相近气动布局作为验证外形,对连续流区牛顿类高超声速工程快速计算方法在高超声速高升阻比飞行器上的计算精度进行了评估.研究表明,高超声速工程快速计算方法在其应用范围内,对高超声速高升阻飞行器的气动特性具有较高的预测精度,可以满足工程设计需要.最后,在连续流区使用同样的计算方法,同时考虑高空稀薄气体效应,通过所建立的桥函数给出了所研究高超声速高升阻比飞行器过渡流区的气动特性.     

高超声速复合材料翼面的结构动力学特性研究

高超声速飞行器飞行时会引起气动加热,对其进行结构动力学分析时需考虑气动热的影响.文中建立了热环境下的结构动力学分析流程.首先,基于求解三维可压缩N-S方程的CFD方法进行气动热分析;然后利用有限单元法(FEM)求解结构热传导,并得出温度场分布;最后,基于准线性结构模型进行热环境下的结构动力学分析.基于该流程,对比分析了高超声速飞行器复合材料翼面的结构动力学特性.结果表明,气动加热改变了翼面的固有振动特性.     

高超声速边界层转捩及基于层流脉动能的转捩预测

高超声速边界层转捩现象长期以来一直是高超声速飞行器空气动力学的关键课题之一,其中转捩位置预测是转捩研究的一个重要内容。总结了高超声速边界层转捩的特征,在此基础上,分析了传统高超声速边界层转捩工程预测方法的局限,并重点介绍了基于层流脉动能的新的转捩起始位置预测方法的基本原理,及其理论建模和数值模拟研究的进展。     

基于气动热约束的高超声速电缆罩封头外形优化设计

基于N-S方程数值计算方法对高超声速气流中导弹电缆罩封头和其后方的电缆罩外形进行气动热计算,对2种封头外形的气动热进行对比分析,研究了其流动机理和流场结构。结果表明:优化后的与后方电缆罩等宽、等高的封头外形极大地降低了电缆罩的热环境。     

国外高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性概述

概述了国外在高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性领域进行的研究活动,重点关注对非定常高超声速气动力学的建模和把流体与结构之间的热传递纳入气动弹性求解等两个问题,归纳出了未来高超声速气动弹性力学和气动热弹性力学的发展方向。由于吸气式高超声速飞行器机体、推进系统和控制系统的强耦合性,未来的发展趋势是把先进计算气动热弹性法纳入飞行器的综合分析。     

高超声速飞行器的防热材料与防热结构进展

对高超声速气动热产生的过程及热防护系统进行了介绍,对飞行器防热材料方案进行了讨论,分析了高超声速飞行器材料选用方面的挑战.     

适用于高超声速边界层的转捩准则预测方法

采用层流+转捩准则+湍流模式方法对高超声速边界层转捩进行预测。采用f (Re, Me)类转捩准则耦合SA、SST湍流模式,对超声速平板边界层、2°攻角尖锥裙流动和类 X-51高超声速飞行器前体流动进行数值模拟研究。给出摩阻系数、热流系数和湍动能、涡粘性系数的计算结果。采用的层流+转捩准则+湍流模式方法能够较正确地预测高超声速边界层转捩。所采用的湍流模式本身的性能对边界层转捩的预测存在影响,主要表现在对来流扰动环境的感受性及涡粘性系数生成两方面。     

高超声速飞行器气动热网格依赖性研究

采用计算流体力学方法,针对高超声速飞行器气动热数值模拟问题,研究了高超声速来流下气动热环境计算的网格依赖性。以二维圆柱为例,分析了网格雷诺数对热流计算的影响,获得了网格雷诺数及网格局部加密对热流精度的影响规律。研究结果表明,网格雷诺数小于8即可获得收敛的热流结果,激波位置处网格加密可有效改善热流预测精度。通过对X-33再入飞行器的气动热环境模拟检验了研究结论在三维模型中的适用性。     

临近空间大气环境对高超声速飞行器气动特性的影响研究进展

随着临近空间高超声速飞行器的不断发展,对临近空间环境的开发提出了迫切需求,研究临近空间环境对高超声速飞行器的影响是近年来的研究热点。调研了20~100 km临近空间大气密度和大气风场对高超声速再入飞行器的影响。大气密度会影响飞行器的气动力和气动热,大气风场不仅影响飞行器的结构稳定,还会对飞行的姿态角及气动力和气动力矩产生影响,引起弹道的偏离。基于调研现状,提出了一些建议。     

基于高分辨率格式的高超声速气动热数值模拟研究

高超声速气动加热问题一直是高超声速飞行器设计中的关键,是气动布局设计、结构设计以及热防护选材等的重要依据。然而气动热的数值模拟受到网格尺度、数值格式等多种因素的影响,是目前计算流体力学的难点之一。本文选择典型的三维钝锥模型,主要围绕网格尺度、数值格式精度以及耗散对高超声速气动热问题展开相关研究。结果表明,随着网格雷诺数的不断增加,热流计算值呈现不断减小的趋势,在气动加热比较严重的部位,热流计算值对于网格尺度的敏感性更强;网格尺度较小时精度越高,热流计算越准确,而网格尺度较大时,具有高分辨特性的MDADF-HY格式更为占优;同时,适当的耗散也是数值格式能够准确计算热流的前提。     

VTVL高超声速航天飞行器优化气动布局研究

针对垂直起飞、垂直降落飞行器－一种先进的、能重复使用航天飞行器的选型和气动经布局，研究分析了飞行器外形尺寸参数高超声速再入气动性能的影响，给出了优化气动布局，并通过实验验证了布局的正确性，结构实验和理论分析给出了飞行器高超声速气动特性参数。     

美国HTV-2及相关基础项目对转捩问题的研究

边界层转捩是高超声速飞行器在研制过程中必须考虑的重要空气动力学问题,对飞行器的控制和防热设计具有重要影响。介绍了美国HTV-2项目和相关的HIFiRE-5项目在地面试验阶段针对边界层转捩问题所做的数值仿真和地面风洞试验,总结了美国在高超声速边界层转捩研究方面的主要特点。     

高超声速技术验证飞行器HTV-2综述

HTV-2是美国空军重点发展的高超声速技术验证飞行器,尽管其两次飞行试验均以失败告终,但对美国发展高超声速技术及未来的高超声速巡航飞行器具有重要意义.文中从发展背景、气动特性和主要研究工作等方面对高超声速技术验证飞行器HTV-2作了较为详细的介绍,并对高超声速技术的发展方向和研究方法进行了分析.