数据驱动的脉冲风洞气动热试验数据分析方法探索

脉冲风洞的有效运行时间短,气动热测量信号易受干扰,通常采用人工判读的方式在大量的脉冲风洞测热试验数据中遴选有效数据,数据分析过程效率低、标准不统一。研究基于中国航天空气动力技术研究院1 m量级炮/激波双模式风洞气动热试验数据开展信号特征分析,确定了Fourier变换后的电压信号、总压-热流相关系数曲线、热流时间导数等参数对流动起止时间、运行模式分界时间、信号质量等关键信息的表征作用。在此基础上,基于卷积神经网络和密度基聚类算法,发展了传感器信号有效性判断模型、风洞有效运行时间段选取算法和传感器信号取值区间选取算法,实现了脉冲风洞气动热试验数据的智能处理。结果表明,智能算法对传感器信号有效性的判断准确度达到98%;针对3568条原始试验曲线进行处理,智能算法与人工方式得到的热流均值差异小于10%的数据约占91%,具有应用于风洞试验的价值。

高超声速钝楔边界层最优增长扰动及其二次失稳研究

最优增长扰动理论是近年来高超声速边界层非模态失稳现象研究中的主要理论之一,可被看作一种对非模态扰动增长的工程化估计。本文以高超声速钝楔边界层为研究对象,采用最优增长理论和二次失稳分析方法,对钝楔边界层的非模态失稳特性进行了研究。结果表明,在平楔面各个工况的有限计算域中无法找到不稳定模态扰动,非模态的最优增长扰动可获得较大的能量增益。研究还发现,最优扰动的能量增益随马赫数的增加逐渐减小,而壁面曲率对最优扰动的增长起促进作用。但是,由于不同曲率条件下对应的最大能量增长扰动的展向波数存在一定差异,因此变曲率的等熵压缩面不存在统一的变化规律。进一步,研究还采用非线性抛物化稳定性方程研究了零频率最优扰动的非线性演化,并以最优扰动形成的条纹边界层的二次稳定性为基本流,采用线性理论进行了二次失稳分析,发现最优增长扰动形成的条纹结构具有较强的二次失稳增长率,这有利于下游边界层转捩成湍流。该研究结果对设计高速飞行器前体进气道的强制转捩装置有一定参考意义。

超高速碰撞下相变效应的交错网格物质点法研究

超高速碰撞下的结构毁伤过程常伴随材料相变、断裂失效及碎片云的产生与演化,其所具有的压力强间断、材料非线性等几何大变形等问题给数值模拟带来了困难。交错网格物质点法SGMP通过背景网格格心积分消除了物质点法MPM跨网格误差,是模拟固体冲击爆炸等极端大变形与材料破坏问题的一种有效数值分析方法。本文将含金属相变的GRAY状态方程及含非线性内聚力断裂的Johnson-Cook修正金属模型引入SGMP中,模拟超高速碰撞单层、多层靶板问题。结果表明,SGMP和修正金属模型可以很好地模拟超高速碰撞问题中的碎片云形貌特征和相变效应。

一种数值稳定的低耗散激波捕捉格式

HLLC格式应用广泛且可以准确捕捉激波间断,其满足熵条件和保正性,易于推广到其他双曲系统。但是,在计算多维强激波时出现的数值不稳定现象大大限制了它在高马赫数流动问题中的应用。本文基于三维无黏可压缩欧拉方程组构造一种激波数值稳定的HLLC格式(SS-HLLC):将传统的HLLC通量显式地改写成耗散的HLL通量和反扩散项的形式,利用充分光滑的控制函数调节激波附近横向通量中的反扩散项来改善格式的激波数值稳定性,分析证明了反扩散控制技术的有效性。此外,采用简单的THINC重构方法和BVD算法来减少数值耗散项中的密度差,从而构造了一种低耗散的激波数值稳定格式(LD-SS-HLLC),可进一步提高格式对接触间断的分辨率。经过一系列标准算例测试,结果证明了LD-SS-HLLC格式的低耗散性和激波数值稳定性。

高速弹丸诱导斜爆轰激波结构实验研究

斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景,其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注.然而,斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点,当前国内外系统的试验研究仍然十分有限,难以支撑斜爆轰发动机的研制.为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性,基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究,使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波,并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量.实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构,即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波,实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳.实验中,斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好,弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差.通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现,随着远离弹丸,斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度,弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.

声学超表面抑制高速边界层内宽频不稳定模态研究

以声学超表面为研究对象,使用线性稳定性理论(LST),研究了声学超表面导纳相位与幅值对超声速平板边界层内宽频不稳定模态的影响规律。结果表明:当导纳相位θ接近0.5π时,第1模态被抑制的同时第2模态会被激发,且在较低频率范围内导纳幅值的增大能够使第1模态更加稳定;当导纳相位θ接近π时,可抑制第2模态但同时激发第1模态;整体上,导纳幅值越大,对不稳定模态的抑制或激发效果越明显。在此基础上,结合缝隙几何参数对导纳的影响,提出一种可实现性宽频抑制方案,通过分段设计声学超表面微结构的几何尺寸,实现了同时抑制第1模态和高频第2模态的目标,并使用eN方法验证了转捩抑制效果。

泡沫碳表面对高超声速边界层稳定性影响

高超声速边界层转捩会使壁面摩阻和热流显著增加,严重影响飞行器的性能。微孔隙表面在不明显改变平均流场的同时,能够有效抑制边界层转捩,具有较大的应用潜力。在马赫数为6的Ludwieg管风洞中研究泡沫碳孔隙材料对尖锥边界层中不稳定波的影响规律,试验结果表明:尖锥边界层存在明显的第2模态波,其特征频率随着流向位置增加而减小。相比于光滑表面,泡沫碳表面使不同流向位置上的第2模态波增长率均有明显下降,至少延长第2模态传播区域21.6%。此外,采用阻抗管测量泡沫碳表面的声学特性获取阻抗模型系数,并结合线性稳定性理论预测了泡沫碳表面扰动模态增长率,理论结果与试验结果变化趋势相同。

凹腔稳燃超声速燃烧火焰闪回不稳定性的数值研究

针对等直截面超燃冲压发动机燃烧室中火焰闪回低频燃烧振荡现象,采用延迟分离涡模拟(DDES)的混合RANS/LES方法结合PaSR湍流燃烧模型进行了三维模拟研究.计算得到了完整的燃烧振荡周期,与实验中的低频燃烧振荡现象较为一致.低频燃烧振荡周期可分为凹腔火焰稳定、火焰回传、火焰吹熄3个阶段.通过分析低频燃烧振荡周期中不同阶段的燃烧流动状态,给出了可能的低频燃烧振荡的形成机制.研究结果表明,在整个低频燃烧振荡周期中燃烧室内没有发生热壅塞,燃烧室提供的背压和燃烧释热是燃烧室内形成低频燃烧振荡的关键.

非均匀来流中斜爆轰波对扰动的动态响应特性

在斜爆轰推进系统中,经过进气道压缩的气流速度仍然很大,导致斜爆轰波前的气流难以达到均匀预混,进而对斜爆轰波系产生影响。以高空飞行条件下非均匀来流中的斜爆轰波系为对象,采用Euler方程结合氢气-空气基元反应模型,通过波角变化和波面位置偏移研究了斜爆轰的受扰动特性。采用当量比作为非均匀的表征变量,在斜爆轰波面上游引入了一个高度可变的扰动区,定义φA为扰动幅值,扰动区的当量比分布通过正弦函数进行模化。研究发现,随着φA的减小,波角减小,波面向下游移动;随着φA的增大,波角增加,波面向上游移动。当φA为负值且足够小时,可以观察到波角突变的新现象,分析表明此现象源于来流当量比非均匀作用下的重新起爆。当φA为正值且足够大时,被扰动区的波角处于非平衡状态,较大的当量比梯度会导致其高于理论值,而较小的当量比梯度会导致其低于理论值。对波面位置的偏移量进行了量化分析,发现波面位移随φA的变化仅在其为正值时是非线性的,在其为负值时是线性的,随扰动区高度的变化也是线性的。

点火方式对旋转爆震发动机工作特性的影响

为研究并改善旋转爆震发动机的点火-起爆性能,进一步深入了解点火方式对旋转爆震发动机工作特性的影响,采用小能量火花点火装置、高能量火花点火装置、爆震管三种点火方式,进行了一系列旋转爆震发动机起爆实验,发动机采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,燃料为H2,氧化剂为空气。实验对比研究了不同点火方式下旋转爆震发动机的点火起爆性能及点火方式对发动机工作特性影响。实验结果表明三种点火方式均成功起爆旋转爆震波,并周向稳定传播。通过对旋转爆震波起爆过程详细分析发现,不同点火方式引燃的不同初始状态的火焰均需在环形燃烧室经历一个类似DDT的火焰发展过程才能成功建立爆震波,且火焰发展过程的时间间隔表现出很强的随机性,但总体来看爆震管点火时爆震波建立时间较其他两种点火方式短。此外,该工况条件下三种点火方式起爆发动机时其工作状况可重复性均可达100%,稳定工作过程中的传播特性与点火方式无明显关系,爆震波传播频率较为稳定,在5437~6440Hz波动。

DSMC/EPSM混合算法研究

将EPSM算法与DSMC方法结合,构造了可模拟含近连续流区及过渡流区的DSMC/EPSM混合算法。运用混合算法模拟了马赫数等于5时超音速竖板绕流及马赫数等于4时超音速平板绕流,并将结果与DSMC算法的结果进行比较,证明了DSMC/EPSM混合算法的有效性,同时将EPSM算法与DSMC算法的效率进行了比较。

旋转爆震发动机爆震波建立过程实验研究

为了深入研究旋转爆震发动机爆震波建立过程及形成机理,采用小能量火花单次点火的方式进行了一系列旋转爆震发动机起爆实验。发动机采用环缝-喷孔对撞式掺混方式,燃料为H2,氧化剂为空气,实验成功起爆旋转爆震波,并连续旋转稳定传播,爆震波传播频率为5.09~6.45k Hz,传播速度为1286~1644.8m/s。在发动机稳定工作过程中,集气腔与燃烧室相互影响,二者处于平稳的动态平衡。其次,通过对旋转爆震波起爆过程详细分析发现,点火形成的初始火焰在环形燃烧室经历一个类似DDT的火焰发展过程,成功转变为爆震波,且从点火到爆震波建立之间的火焰发展传播过程和时间间隔均表现出很强的随机性。此外,为验证小能量火花点火的可靠性,还进行了小能量点火重复性实验,发现在稳定工况条件下采用小能量点火成功率最高可达100%,各组旋转爆震波传播速度在1440m/s附近波动。

超高速碰撞可见光谱辐射强度测量技术

针对航天器防护技术及超高速碰撞物理现象研究需要,为超高速碰撞靶研制了超高速碰撞光谱辐射强度测量系统。笔者对该系统的设计和应用该系统对半无限靶碰撞可见光谱辐射强度测量结果进行了介绍。结果表面:所研制的可见光谱辐射强度测量系统满足超高速碰撞可见光谱辐射强度测量要求,并具有成本低、使用方便和易于扩展功能等特点。

支板凹腔一体化超燃冲压发动机实验研究

本文针对以凹腔支板一体化燃烧室为基本结构的超燃冲压模型发动机在自由射流风洞中的性能,主要研究了燃料在不同位置喷入时,燃烧室几何结构/气动性能/燃料混合及燃烧特性的相互耦合,以及对发动机推力性能的影响．结果表明支板与凹腔的一体化在合理配置燃料分布情况下可以获得较好的发动机性能．

高超声速三维碳-碳烧蚀流场的数值研究

本文针对高超声速再体的烧蚀现象 ,利用简单隐式TVD差分格式和激波捕捉法 ,数值求解三维化学非平衡Navier Stokes方程 ,其中化学模型是碳 碳 (C C)空气化学模型 ,考虑 12个化学组分和 31个化学反应过程 ,研究了C C烧蚀对再入体头部区域的壁面温度和热流分布的影响。为了计算效率和稳定性提出壁面条件显式处理的方法。对再入高度为 6 5km和速度为 8km/s的再入体头部区域烧蚀流场进行了数值模拟 ,用飞行迎角α =0°的计算结果与国外文献进行了比较 ,符合得较好。同时给出了三维小迎角α

超音速飞行器机翼颤振的时滞反馈控制

采用时滞反馈主动控制方法对超音速飞行器机翼颤振进行控制,以提高飞行器机翼系统的颤振临界速度.首先根据二元机翼的力学模型,制定时滞反馈控制策略并建立时滞反馈控制系统的数学模型;分别对无控、零时滞反馈控制和有时滞反馈控制系统进行稳定性分析,获得时滞反馈控制系统的颤振稳定性边界.利用MATLAB/SIMULINK进行时域数值模拟,验证理论稳定性分析结果的正确性.结果表明:通过调节时滞量,可有效提高飞行器机翼的颤振临界速度,且控制策略简单,效果较好.

吸气式高超声速飞行器气动热试验研究

为获得吸气式高超声速飞行器气动热环境的数据,开展了气动热试验研究。在激波风洞中,来流马赫数Ma=6.12,来流单位雷诺数Re/L=1.37×107(1/m)试验条件下,对吸气式高超声速飞行器1/4缩比模型进行了表面气动热的测量。试验获得了小攻角变化范围内的飞行器头部前缘、头部上下交线、机身上下表面中心线、机身横截面周向、平尾垂尾前缘、发动机唇口等位置的热流率分布。研究结果表明,吸气式高超声速飞行器头部前缘、前体进气道壁面、发动机唇口、平尾垂尾前缘气动加热最为严重,另外乘波体外形的设计与布局影响热流的分布。

高超声速可压缩流中粗糙壁热流研究

用计算流体力学(CFD)数值模拟和理论方法对高超声速可压缩湍流中粗糙壁面热增量进行研究.着重考虑粗糙单元密度和粗糙单元形状对粗糙表面热流的影响.结果表明:1粗糙单元密度变化时,CFD数值方法计算所得的粗糙单元等效热流随着粗糙单元密度的降低而增加,理论方法预测结果的规律随方法不同而不同;2在相同粗糙单元密度和高度时,如果粗糙单元形状改变,CFD计算结果也随之发生改变.理论预测方法所得结果不发生变化.

冲击压缩下甲烷的状态参数实验研究

为了研究冲击压缩下用作电探针保护介质的甲烷气体状态参数 ,用二级轻气炮加载方法加速平面钨合金飞片到 4.77km/s、4.89km/s和 5 .0 5km/s,撞击封装有甲烷气体的铝靶。采用六通道瞬态光学高温计系统记录下甲烷气体的高温辐亮度历史 ,拟合出甲烷的表观辐亮度温度。给出了对应飞片速度下初始压力为 0 .1 2MPa的甲烷气体的冲击压缩参数。实验分析表明 ,强冲击波压缩下的甲烷波后温升较小 ,冲击波后的气体存在非平衡热辐射过程和非平衡化学反应区。分析认为 。

高超声速舵面颤振的数值模拟影响因素研究

针对某高超声速舵面颤振风洞试验模型开展了数值模拟研究,采用多种气动力模型和耦合迭代策略,研究对颤振预测结果的影响。计算结果表明,采用三阶活塞理论、统一升力面理论、Euler方程和N-S方程的颤振动压预测结果较接近,与试验值误差均在7%以内。采用时域方法计算时,松耦合方法的误差较大,超过15%。同时还发现,支撑机构会带来激波边界层干扰效应,一定程度上提高了颤振动压,考虑该因素的预测结果与试验值更接近。