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.     

关于超声速气流中喷嘴逆向喷射降低气动热问题的研究

描述了对超声速气流逆向喷射降低气动加热问题开展的实验研究,实验是在普通的下吹式风洞中进行的,在Ma=4的超声速自由来流中,安装一个半球面模型,模型顶部通过声速喷管喷射冷气流,可以观察到表面热气流分布有明显减少,这表明逆向喷射是一种十分有效的减少钝体头部气动加热的方法。同时,也研究了总压比(相对于自由来流)对气动加热的影响。     

仿鲨鱼鳃部射流减阻特性的仿真研究

针对鲨鱼鳃部射流表面流场特性针对鲨鱼鳃部射流表面流场特性建立了基于鲨鱼鳃部特征的仿生射流模型,采用数值模拟方法,在主流场入口速度为3 m/s、射流速度为0.02~1 m/s条件下,研究仿鲨鱼鳃部射流的减阻特性、分析其减阻机理。研究结果表明：当射流速度u＞0.1 m/s时,仿鲨鱼鳃部射流具有减阻效果,且减阻率随射流速度增大而增大。仿鲨鱼鳃部射流通过影响摩擦阻力和压差阻力改变减阻特性。仿鲨鱼鳃部射流对摩擦阻力的影响机理为：射流出口下游流场黏性底层增厚、速度梯度降低;同时形成反向旋涡,使流场存在稳定的大涡结构,降低了湍流脉动对壁面的作用。对压差阻力的影响机理为：射流速度作为一种附加动力,对压差阻力产生抑制效应,导致了模型压差阻力的下降。     

超声速气流中激波/边界层干扰微射流控制研究进展

激波/边界层干扰现象在超声速流场中不可避免,这种现象的存在会对超声速飞行器内外流场产生一系列的不利影响。所以,对激波/边界层干扰现象进行控制是十分必要的。微射流主动流动控制方法近年来已成为流动控制领域的研究热点。本文梳理了近年来微射流主动流动控制方法对激波/边界层干扰控制的相关研究进展,综合分析了影响单孔微射流和微射流阵列控制效果的因素,并对目前研究的不足和发展前景进行了探讨,以期对相关研究提供参考。     

超声速横向气流中射流破碎过程的数值研究

基于流体体积函数（Volume of Fluid,VOF）方法对超声速横向气流中射流破碎过程进行数值模拟,通过与国内外实验对比,验证了该方法捕捉液柱轨迹的准确性和模拟气相流场的可靠性。针对基准工况以及不同动压比工况下超声速横向气流中射流破碎过程的计算,结果表明：高频的周期不稳定波在液柱破碎中起主要作用;液体射流与超声速横向来流存在强相互作用,形成弓形激波、分离激波以及激波交错的复杂激波系;当动压比升高时,液柱沿流向破碎点位置几乎无变化,而液柱破碎点位置的穿透深度明显增加。     

多孔药型罩聚能射流低炸高大穿深机理研究

理论上分析了初始冲击温升对高速段射流的动态屈服强度的影响,并对孔隙度为11.4%铜粉末药型罩与紫铜药型罩进行了侵彻对比试验。试验结果表明,在1.3~3倍的装药口径范围内,铜粉末射流的性能要优于紫铜射流,最大穿深为紫铜射流的1.12倍。铜粉末药型罩比紫铜药型罩具有更高的冲击温升,使高速段的射流的粘性和动态屈服强度降低,提高了射流的延伸能力。     

高超声速单/多喷管逆向喷流降热特性研究

作为一种主动热防护技术,逆向喷流因其可以显著地降低飞行器的气动加热环境,是未来主动热防护系统的一种有效的选择.本文重点开展逆向喷流降热技术的研究,围绕单喷管和多喷管逆向喷流降热技术,针对高超声速飞行器头部研究了两种逆向喷流降热方案的降热特性,研究表明单喷管逆向喷流降热具有局限性,多喷管逆向喷流降热更具鲁棒性和工程适应性,具有更广阔的应用前景.     

超声速流动中底部排气减阻的数值研究

为了研究超声速流动中底部排气减阻特性,采用高精度的AUSMPW+迎风格式、k-ω SST湍流模型、8组分12反应化学动力学模型、二阶矩湍流燃烧模型耦合求解三维带化学反应的Navier-Stokes方程。在数值方法的有效性和可靠性经过验证后,对超声速流动底部排真实气体流场进行了数值模拟。计算结果表明：随着排气参数的增大,底压比将先增大后减小,然后再增大;当排气参数较小时,底压比基本不随排气面积的改变而改变。当排气参数较大时,底压比随着排气面积的增大而增大;在最佳排气减阻区内,提高排气总温对提高底压比是有利的;底部排气中富燃气体含量越高,则二次燃烧越强,有利于提高底压比。研究结果可为底部排气弹工程应用提供参考。     

功能梯度防热材料在高超声速飞行器热防护上的设计研究

研究梯度型防热材料的烧蚀/温度场计算方法,基于分层法,将梯度型防热材料平面结构划分成若干层,每层的材料参数按函数形式变化,在此基础上对材料的热防护方案进行烧蚀/温度场计算。通过与单层均质防热材料、单层均质低密度防热材料、双层式防热材料和夹层式防热材料计算结果的对比分析,指出梯度型防热材料的优势,以及运用于高超声速飞行器需关注和解决的问题。研究结果表明,梯度型防热材料在不增加表面的热解烧蚀量的情况下,能明显减少向内部结构传导的热量,大大减轻防热结构的重量,显示了在高超声速气动热防护领域极高的防热效率和应用前景。     

高超声速飞行器热防护的布雷顿热电转化技术

针对高超声速飞行器面临的热防护问题,提出了一种布雷顿循环热电转化技术,结合高超声速飞行器的飞行工况,进行了热力学计算,初步得到热电转化的发电效率及发电机功率,并讨论了飞行马赫数、关键部件效率、压比和循环工质对系统性能（发电效率和输出功率）的影响。结果表明,气动热的利用使高超声速飞行器的热电转化成为可能;同时提高关键部件效率,如换热器效率、旋转部件效率可提高发电效率和发电机功率,由于它们之间存在耦合关系,在系统方案设计时需要综合考虑;分析也表明,选择适当的工质可以提高热电转化的发电效率及发电机功率。     

水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.     

SPS水中枪弹超空泡减阻研究

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6．3对SPS水中枪弹的流体动力特性进行了数值模拟,研究了其利用超空泡进行减阻的规律．结果表明：随空化数增大,枪弹空泡形态减小,阻力系数增大;在发射深度不变的情况下,随时间的推移,枪弹的速度减小,射程增加;随发射深度增加,速度衰减变快,射程减小;枪弹的质量、几何参数、发射速度和深度影响射程．     

水下航行体俯仰运动微气泡流形态及减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中,微气泡流形态及减阻特性的变化规律,采用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,在水洞中开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。基于该驱动装置,实现了航行体模型以正弦变化规律的角速度绕其头部转动;基于高速摄像系统,分析了微气泡流形态变化特性;基于测力系统,分析了俯仰运动过程中水下航行体流体动力特性及不同通气量下微气泡减阻特性变化规律。试验结果表明：较低通气量下,在水下航行体俯仰运动过程中,离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;随着通气量的增加,微气泡流密度逐渐增加,透明度逐渐降低,并最终融合成透明空泡;航行体俯仰运动过程中,其航行体轴向力系数和法向力系数基本呈正弦变化规律,且其周期与攻角变化周期基本同步;不同通气量下航行体轴向力系数的变化规律基本相同,均呈正弦变化规律,且随着通气量的增加,相同姿态下的航行体轴向力系数逐渐减低,并最终趋于恒定。     

Numerical Simulation on Flow Control for Drag Reduction of Revolution Body Using Dimpled Surface

Numerical simulation on the flow fields near the dimpled and the smooth revolution bodies are performed and compared by using SST k-ω turbulence model, to explain the reasons of friction and base drag reductions on the bionic dimpled surface and the control behaviors of dimpled surface to boundary layer near wall of the revolution body. The simulation results show that the dimpled surface reduces the skin friction drag through reducing the velocity gradient and turbulent intensity, and reduces the base drag through weakening the pumping action on the flow behind the revolution body caused by the external flow; the low speed rotating vortexes in the dimples segregate the external flow and the revolution body; and the low speed rotating vortexes forming in the bottom of dimples can produce negative skin friction.     

旋成体仿生凹坑表面流场控制减阻仿真分析

应用SST k-ω湍流模型对仿生凹坑表面旋成体与光滑旋成体进行了对比数值模拟,解释了仿生凹坑表面减小摩擦阻力和压差阻力的原因以及对旋成体近壁区边界层的控制行为。研究结果表明：来流马赫数为0.4时置于旋成体后部的凹坑表面减小了旋成体8.05%的摩擦阻力,1.9%的压差阻力,总阻力减小了6.24%;仿生凹坑表面通过减小壁面的速度梯度和湍流强度减小摩擦阻力,通过减弱外部气流对旋咸体截尾底部气流的抽吸作用减小底部阻力;凹坑表面对边界层的控制行为表现为凹坑内部的低速旋转气流造成了凹坑内部气流与凹坑外部气流的气一气接触,形成涡垫效应;同时,旋转气流在凹坑底部产生的摩擦阻力作为一种附加动力产生推动效应。     

A Simulation Study of the Turbulent Drag Reduction Mechanisms Derived from Shark Skin

Through the numerical simulation investigation, the turbulent drag reduction mechanisms of shark riblet surface are explored. In allusion to the characteristics of riblets surface, the computation region, grids and flow parameters are dealt with reasonably. These present simulation results show preliminarily that 1） only the near-wall flow field above riblet surfaces is affected by riblets, and the flow within riblets is slow and quiescent; 2） the viscous sub-layer above riblet surface is thicker; 3） the shear stress and the local friction coefficient above the riblet surface are reduced, and the drag reduction quantity is larger at the bottom of riblets than that at the top. Numerical simulation investigation on the riblet surface in the paper can provide a reference for future research in this field.     

极超音速成型装药射流头部激波作用下的真实气体效应分析

采用基于气体配分函数的高温平衡气体理论参数计算模型，考虑了高温情况下分子的离解和粒子的重新组合等带来的不同于理想气体的因素，研究了高达20马赫极超音速的成型装药射流头部真实气体效应的气动及热力学问题。采用不包含人工粘性的Godunov格式以及高温平衡气体理论参数计算模型编制了求解高超音速问题的Fortran程序。计算结果发现，高马赫下真实气体模型已经完全偏离了理想气体状态方程，真实气体效应导致了金属射流头部滞止区的厚度比运用理想气体状态方程得到的结果小的多，温度也低得多。