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.     

高超声速气动热环境工程算法

对高超声速飞行器气动热环境工程算法进行研究.基于Prandtl边界层理论,将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导的区域,并将两者的工程算法相结合,发展了一套高超声速气动热的计算方法.对于无粘流区,边界层外缘参数的计算采用完全气体模型和平衡气体模型,利用等熵条件来确定;在边界层内部,基于参考焓方法,采用经典热流密度公式,确定物体表面的气动加热.采用此方法对一些简单三维外形进行了气动热计算,证明所述方法具有较高的精度.     

高超声速飞行器鼻锥的热环境和结构热分析研究

基于典型的高超声速气动加热飞行环境,利用热流迭代修正方法对轴对称一体化结构高超声速飞行器鼻锥进行结构温度场分析.首先通过流场计算得到飞行器鼻锥的冷壁边界热流密度分布,并将其作为结构热响应有限元计算的初始边界条件.为了验证计算方法的可执行性,并为计算结果分析比较提供参考数据,首先进行只考虑导热和辐射的计算,不考虑壁面温度变化对热流影响的热流修正迭代计算.而后,针对壁面温度随时间变化,对热流密度进行修正,进行多次迭代计算模拟,用以确定高超声速飞行器鼻锥材料以及结构设计尺寸.     

C/SiC刚性热防护结构热力耦合分析

高超声速飞行器热防护问题复杂,是弹道参数、外部流场、气动加热、结构温度场、结构变形响应等多物理场的耦合.为提高飞行器结构温度场预估精度,开展气动加热与结构温度场的耦合分析方法研究,基于气动加热工程算法,对典型C/SiC刚性非烧蚀式防热结构进行气动加热与温度场耦合分析.结果表明作用在结构上的净热流密度低于气动加热工程计算得到的冷壁热流密度,设计热防护系统时必须考虑气动加热/结构温度之间的耦合作用.     

斜激波/平板层流边界层相互干扰的数值研究

由楔／平板结构产生斜激波,人射到零攻角绝热平板上,促使可压缩层流边界层产生分离。在6°楔角的不同来流马赫数μ1下,比较了激波与边界层相互作用强度和边界层厚度等参数。得到人射激波强度是分离强弱及再附现象能否出现的主要原因,发现反射激波的状态是影响分离区范围的重要因素。     

高超声速飞行器激波/边界层干扰控制方法综述

在高超声速流动中,激波/边界层干扰现象不可避免,它会对流场稳定性和飞行器安全造成不利影响.因此,研究激波/边界层干扰流动控制方法必要且迫切.概述了激波/边界层干扰现象的产生机理,并介绍了目前较为前沿的边界层抽吸控制、边界层吹除控制、次流循环控制、壁面鼓包控制、微型涡流发生器控制以及等离子体控制等控制方法,并对各控制方法...     

非结构化网格下二维钝头体绕流DSMC数值模拟

本文采用非结构化三角网格为基本网格单元,应用DSMC(直接模拟蒙特卡罗法)方法对超声速稀薄气体钝头体绕流问题进行数值模拟。对不同Knudsen数和不同Mach数下的绕流问题进行数值模拟,得到在高空稀薄气体区域飞行器外部流场变化的一些基本规律。结果表明:随着Knudsen数的增加,激波减弱,激波层厚度增大,激波位置远离钝体表面,壁面热流密度减小;在相同的Knudsen数下,随来流的速度增加,壁面热流密度增大。这些模拟结果对有效的完成飞行器热防护具有十分重要的意义。     

超声速气流中多孔逆向射流减阻防热机理研究

为提高高超声速飞行器头部的减阻防热性能,对钝化前缘多孔逆向射流方案进行参数化研究。基于雷诺平均三维可压缩N-S方程,采用SST k-ω湍流模型对流场进行数值仿真,通过与公开文献中的实验数据进行对比,验证了数值方法的可靠性。重点对比分析了有无多孔逆向射流方案下钝化前缘的流场结构,多孔逆向射流的引入使飞行器头部流场发生变化,将飞行器头部前缘的弓形激波向外推移,使前缘展向壁面处于一个连续的低温环境中。结果表明,多孔逆向射流在减阻和热防护方面均能起到良好效果。     

二维高超声速吸气式飞行器一体化流场数值模拟

高超声速吸气式飞行器多采用机体／发动机一体化设计,使用CFD方法,对二维高超声速吸气式飞行器机体／发动机一体化流场进行了数值模拟,在来流马赫数6条件下．分别研究了发动机关闭,发动机通流与发动机点火三种状态下飞行器受到的气动力系数的变化,以评估该飞行器的纵向气动性能,并同时对三种工作状态下飞行器机体／发动机一体化流场的流动特征进行了分析。     

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。     

旋转多段连接通道换热特性数值模拟研究

为深入了解旋转作用力对涡轮叶片多段连接通道换热特征的影响,采用三维数值模拟方法研究了多段连接内通道模型的流动换热。选取通道入口雷诺数为17 000、旋转数范围为0~0.09, 多段连接通道3个出口的质量流量比例为25%、50%、25%,旋转半径与水力直径之比的范围为0~69.6,研究了旋转数、旋转半径对各段通道带肋壁面换热分布的影响。结果表明：旋转附加力造成径向出流通道沿程压力系数逐渐增大,径向入流通道的沿程压力系数迅速减小;径向出流通道后缘面的换热系数随旋转数增加而增大,径向入流通道后缘面的换热系数随旋转数增加而稍有减小,旋转作用对前缘面换热的影响情况与后缘面的情况相反;前、后缘面的换热系数沿流向均随旋转半径与水力直径比的增加稍有增大,换热增大幅度较小。     

高超声速飞行器翼面气动加热、辐射换热与瞬态热传导的耦合分析

为准确预测高超声速飞行器翼面的热环境以利于飞行器的设计。通过数值算例验证了基于参考焓法的气动加热工程算法的可行性;提出了一种高超声速飞行器三维翼面的气动加热、辐射换热、瞬态热传导的准定常耦合求解方法,通过与非耦合的气动加热、辐射换热及瞬态热传导方法相比,指出考虑耦合求解的必要性。在飞行器典型弹道飞行条件下,该耦合求解方法考虑气动加热、辐射换热、结构热传导耦合效应,实现了高超声速三维翼面温度的准确预测,该方法可用于高超声速飞行器气动热分析及热防护设计。     

临近空间飞行器再入滑移区气动热数值模拟

计算流体力学方法(CFD)模拟滑移流区高超声速气动热时误差较大,直接蒙特卡罗模拟方法(DSMC)耗 费计算资源。考虑速度滑移和温度跳跃,采用带滑移条件的CFD 方法对钝头双锥体绕流进行计算分析。采用添加2 阶滑移条件的N-S 方程,模拟双锥绕流气动热,并与DSMC 结果和文献数据进行对比分析。结果表明：滑移条件使 壁面热流分布更接近DSMC 模拟值,并且在克努森数不太大的过渡流区仍保持较好适用性;在克努森数较大时,带 滑移条件的CFD 方法模拟的流场结构存在一定误差。     

SCB传热模型及点火能量验证

以电容放电的方式研究了半导体桥(SCB)点火过程与药剂之问可能存在的能量作用形式.设计了不同的点火实验,有针对性地验证了等离子体对药剂的冲击作用和渗透热作用.从等离子体存在形式出发,利用等离子体传热理论,初步建立了等离子体传热模型.对斯蒂芬酸铅(LTNR)、叠氮肼镍(NHA)和硝酸肼镍(NHN)进行单颗粒球形传热模型的Fourier分析和数值模拟,并对三种药剂进行了SCB点火实验.LTNR、NHA、NHN三种药剂的最低点火电压分别为11,15,39 V.点火实验结果表明,药剂的导热系数影响SCB点火属性,导热系数小的药剂对应的最低点火电压也小.结合模拟的结果得到了SCB等离子体点火中,渗透热作用为主要能量作用形式的结论.     

高超声速飞行器电离反应流场特性研究

将电离反应按照反应机理的不同进行分类,采用不同的化学反应发生判据将其引入DSMC中,研究了基于分子水平的电离流场特性。通过对比不同组分流场的计算结果,发现引入电离反应会使流场整体温度和热流密度变小,且流场中的电子大多集中在飞行器头部。通过对比不同电离反应对流场特性的影响,发现联合电离反应是所有电离反应发生的基础;电子激发电离反应对流场游离电子的生成有促进作用,而置换电离反应对游离电子的生成有抑制作用;但后2种电离反应都会减弱飞行器表面的热流密度。     

海拔高度对柴油机缸内热流分布影响规律研究

为了分析高原环境下柴油机缸内热流分布变化规律,采用计算流体动力学方法对不同海拔高度条件下的柴油机燃烧过程进行了三维数值模拟研究。结果表明：考虑燃气向缸壁传热的燃烧过程计算时,壁面函数采用Han-Reitz模型可以得到满意结果;随着海拔高度升高,过量空气系数降低,滞燃期延长,着火推迟,燃烧恶化,爆压降低,燃烧温度升高;海拔高度越高,喷雾贯穿动量越大,壁面换热系数增长速度越快,在上止点后气体流动性对换热系数的影响所占比重增大,而进气流量对换热系数的影响比重降低,换热系数随着海拔高度升高而增大;在换热系数、壁面燃气温度和壁面油膜燃烧影响下,高海拔燃烧时壁面平均热流大幅度增大,海拔高度从1 000 m升高到4 500 m 后,缸盖和活塞瞬时平均热流最大值增幅分别达到30%和26%.     

再入式飞行器不同绕流状态的底部流动特征

再入式飞行器在不同雷诺数条件下会出现层流、转捩以及湍流流动状态,采用大涡模拟方法细致地刻画了类神舟返回舱外形不同绕流状态下的底部流动形态以及稳定性特征,从肩部剪切失稳、底部分离失稳、尾迹发展区以及远尾迹区的耦合失稳等多个角度分析了其底部流动特征的异同.结果表明:不同绕流状态下类神舟返回舱外形的底部流动特征存在明显差异.在低雷诺数条件下类神舟返回舱外形绕流基本为层流状态,其肩部剪切层失稳较晚,底部分离区较大,尾迹区域类卡门涡街的振荡幅值较小;在高雷诺数条件下类神舟返回舱外形绕流存在转捩和湍流行为,其肩部剪切层失稳迅速,底部分离区较小,尾迹区域类卡门涡街的振荡幅值较大;低和高雷诺数条件对肩部剪切失稳模式存在明显影响,对底部流动结构失稳模式影响较小.     

低雷诺数弯曲叶片流场数值模拟研究

通过对不同弯曲叶片在低雷诺数条件下的流场分析，指出了在低雷诺数条件下正弯叶片仍是一种较好的降低损失的有效手段，并且在低雷诺数条件下正弯叶片的采用比在高雷诺数条件下所带来的收益更大．说明了低雷诺数条件下弯叶片降低损失的原因表现在几个方面：减少了前缘分离气泡的尺度；削弱了端壁角区气流的失速；改变了激波的空间结构．     

钝化对高超声速乘波体飞行器升阻比的影响

飞行器在高超声速飞行时,来流会对其前缘产生严重的烧蚀,因此需要对前缘进行钝化处理。而钝化会引起飞行器周围流场的变化,影响飞行器的性能。通过运用数值计算的方法,验证了加大钝化半径可以降低前缘的热流密度,研究了钝化对高超声速乘波体飞行器升阻比的影响,比较了不同钝化半径情况下飞行器的升阻比变化。研究表明钝化导致飞行器的升阻比下降且随着钝化半径增大升阻比降幅增大。