高超声速边界层液膜演化过程和冷却机理研究

高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质,在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜,阻止高超声速气流对飞行器的气动加热.其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力.文章采用数值方法,结合VOF模型,研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况,并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件,讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理.结果表明,在气流作用下,液膜向壁面下游发展,液膜的存在导致边界层分离,连续液膜会在一定位置断裂为液块,然后进一步破碎为液滴.入射条件和液体性质的改变,会影响液膜沿流向的发展,具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度.在所设定的计算域内,壁面热流降低了80%~95%,液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.

射流与超声速来流剪切层作用的数值模拟研究

本文采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程,分别应用五阶WENO格式、六阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用三阶Runge-Kutta格式,并应用MPI非阻塞式通信进行并行计算,模拟了超声速射流与同向超声速流动的相互作用,目的在于研究流长产生的两个剪切层的相互作用,发现了有一定夹角的剪切层作用产生周期性次生射流的现象。本文研究了射流/超声速流剪切层相互作用、作用产生的次生射流具有脉冲性等方面,着重对次声射流的周期性等展开分析和讨论。

不同飞行高度下超声速来流/射流及其相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程,研究了不同飞行高度下超声速来流和射流在后台阶相互作用的流场基本结构.时间推进采用三阶精度Runge-Kutta格式,分别应用五阶精度加权本质无振荡(weighted essentially non-oscillatory,WENO)格式、六阶精度中心差分格式来离散对流项和粘性项,并应用MPI非阻塞式实现并行化.采用两步后台阶模型分别研究了不同高度下超声速后台阶流动、射流的基本结构特征;并进一步组合两种流动,研究了超声速来流/射流组合流动下相互作用的流场结构.通过改变后台阶上方来流条件,模拟了不同飞行高度的环境,研究了其对流场中涡、剪切层、激波等结构的影响.研究结果发现,超声速来流和射流发生相互作用后,在后台阶附近产生回流区,超声速来流的存在会对射流的流场结构产生影响.

高超声速平板边界层数值模拟及试验研究

高超声速边界层是一个基础的科学问题。为了研究高超声速平板边界层的流场特性,结合数值模拟、理论求解和试验验证三种手段进行综合分析。数值模拟对二维Navier-Stokes(N-S)方程采用五阶精度的WENO格式离散对流项、六阶中心格式离散黏性项,时间推进项采用三阶Runge-Kutta法。理论分析利用四阶Runge-Kutta结合打靶法求解得到可压缩平板边界层层流自相似解。试验验证利用中科院力学所JF-12复现风洞测试得到大尺度平板的壁面热流,大尺度的平板模型布置传感器达到了较高的空间分辨率,可捕捉到之前由于模型尺寸限制而被淹没的物理现象。研究发现,数值模拟高超声速平板边界层时可以通过给定自相似解的入口条件,规避前缘激波带来的影响;大尺度平板边界层试验重复性好,测量得到的热流在层流阶段与自相似解以及数值模拟得到的结果符合较好,可为现有的气体模型以及热物性参数模型的完善提供一种新的思路。