低真空管道列车关键气动问题研究进展

低真空管道列车系统结合应用了管道运输和磁浮推进技术,是一种颇具潜力的未来地面高速交通方式。列车在极狭长的管道空间内长距离往返,通常诱发以管内壅塞现象为主导的大尺度跨声速流动和多车干扰,导致气动阻力急剧增加和气动热环境恶化,从而面临突出的空气动力学问题。本文从管道全场和列车近场两个视角出发,对管道列车流动特征进行了总结,并对近年来国内外该领域气动力/热/噪声研究的进展进行了梳理。在此基础上,围绕管道列车全线多车运行热点问题,对运行速度、管道阻塞比、发车间隔、运行模式的选取进行了讨论。最后,展望了低真空管道列车气动研究领域未来发展方向,指出高效研究方法、多车运行流动干扰、多车运行气动热、长大管道气动噪声、减阻/降热/降噪技术等是今后需要重点研究的领域。

电磁助推翼段加速地面效应及稳定性分析

电磁发射空天飞行器是未来可重复使用天地往返运输系统的重要发展方向之一,近地助推加速过程受电磁悬浮力影响,面临着复杂的地面效应与弹性稳定性问题。以NACA0012二维翼段为研究对象,建立了电磁力与气动力耦合的动力学模型,对翼段近地Ma=0~1.5加速过程中的流场特征、运行姿态和气动特性进行了数值模拟。结果表明,翼段加速诱导地面效应可分为4阶段。第1阶段,上下翼面为亚声速流动,翼段姿态和气动载荷基本无振荡。第2阶段,上翼面开始出现跨声速流动,下翼面流动以典型的变截面跨声速流动为主导,并伴随壅塞-通流模态转换。第3阶段,上翼面保持跨声速流动,下翼面流动壅塞再现,并呈现出完全膨胀的跨声速壅塞流动状态。在第2、3阶段,翼段姿态和气动载荷低频大幅振荡。第4阶段,上翼面发展为超声速流动,下翼面保持完全膨胀壅塞流动,翼段姿态和气动载荷高频小幅振荡。在此基础上,探究了悬浮高度、悬浮刚度、磁体间距对系统稳定性的影响。发现增加悬浮高度,有利于在一定程度上提高系统稳定性;适当增加悬浮刚度或悬浮磁体间距,同时限定电磁助推目标速度小于系统振荡发散临界Mach数,有利于明显提高系统稳定性。

侧向喷流干扰流场建立与消退过程数值模拟

针对高超声速轨控侧向喷流的非定常干扰效应问题,应用非定常数值模拟方法和多重网格加速收敛技术,研究了锥-柱-裙外形轨控侧向喷流干扰流场的建立和消退过程,获得了详细的喷流瞬时干扰流场结构特性,分析了法向力放大系数、干扰力矩系数、法向力系数及俯仰力矩系数随时间的变化特性。研究结果表明:在侧向喷流干扰流场建立和消退过程中气动力变化较大,存在峰谷值;法向力放大系数及干扰力矩系数的定常值和非定常时均值之间存在明显差异。

多重网格技术在侧喷干扰流场模拟中的应用

开展了多重网格技术在侧向喷流干扰流场数值模拟中的应用研究。采用修正的限制算子和回插算子,解决了多重网格技术在超声速/高超声速侧向喷流干扰流场模拟中的稳定性问题。使用全近似(FAS)格式和两重网格V循环,数值模拟了不同条件下的单、多喷流干扰流场,计算结果表明:应用修正算子的多重网格技术可以显著提高侧向喷流干扰流场计算的收敛速度,并且计算稳定性好。

超声速电磁发射近地多体分离气动干扰特性

利用电磁助推将空天飞行器在地面加速至超声速发射,能够规避低速起飞阶段,对宽速域飞行提供了一种颇具潜力的解决方案。到达发射的目标速度,飞行器与电磁橇在近地面效应的干扰下能否实现安全分离是电磁发射的关键环节之一。针对近地超声速多体分离问题,采用非定常流动数值模拟方法对马赫数1.6状态下飞行器-电磁橇分离过程中的流动干扰情况进行了数值模拟。结果表明:超声速近地分离过程可分为3阶段,依次是窄间隙壅塞流阶段、多体联动干扰阶段和独立地面效应干扰阶段,第1阶段以飞行器-电磁橇窄间隙内激波多重反射现象和局部壅塞效应为特征,第2阶段以飞行器与电磁橇快速联动下的干扰为特征,由双向干扰演变为飞行器对电磁橇单向干扰,在第3阶段飞行器与电磁橇均受独立的地面效应干扰。飞行器和电磁橇的气动载荷变化与分离流场所处阶段具有相关性。电磁橇前缘高压区由飞行器腹部掠过尾部导致飞行器气动阻力和升力陡然降低,力矩由低头力矩向抬头力矩转变剧烈。飞行器尾流膨胀区和尾激波相继扫掠电磁橇,导致其升力系数先增加至正升力后降低至负升力。整体上,飞行器飞离电磁橇的姿态较为平稳,两者在垂向和纵向上的间距持续增加。

真空管道列车准一维气动特性

采用理论分析和准一维数值模拟方法,对管道列车宏观流动和气动特性进行研究。研究表明,列车匀速运动可以产生亚声速通流、壅塞和超声速通流三种典型模态。其中,壅塞模态一般伴随以列车前驱激波和后方二次激波为特征的复杂流动。依据二次激波相对列车的位置,壅塞模态可细分为二次激波驻定和二次激波脱离两个区间。列车所受气动阻力随所处流动模态表现出不同的特征。当运行速度小于亚声速壅塞极限或者超过超声速壅塞极限时,流动处于通流模态,阻力较小;当运行速度介于亚声速壅塞极限与二次激波驻定极限之间时,阻力随列车速度快速增长;当运行速度介于二次激波驻定极限与超声速壅塞极限之间时,气动阻力增长趋缓。气动阻力系数在二次激波驻定极限处达到峰值。管壁的摩擦与传热会极大地削弱壅塞模态下的前驱激波和二次激波,但对壅塞极限和气动阻力的变化趋势影响不大。列车的加速过程可对超声速运行阶段流动模态的选择产生很大影响。减小加速度倾向于延缓由壅塞模态向低阻通流模态的转变。数值结果显示模态转变由列车在加速过程中追赶上前驱激波而触发。