高超声速飞行器单壁膨胀喷管的自动优化设计

为了提升高超声速飞行器单壁膨胀喷管的升力和推力,对其进行了优化设计。介绍了超声速流场的分区推进求解技术、流动的时间迭代和超声速流动的空间推进求解方法。对高超声速飞行器的单壁膨胀喷管进行了参数化描述。实现了喷管二维网格的自动生成。借助成熟的单目标和多目标优化软件,对喷管的推力和升力进行了优化。优化后的喷管在推力和升力方面有了大的提高。所采用的超声速流场分区推进求解和空间推进求解技术使得优化过程在单个CPU上能快速完成。

密切内锥乘波前体进气道一体化设计和性能分析

采用特征线方法设计了具有直线初始激波、内收缩段消除激波反射、出口参数均匀可控的基准内锥流场。基于密切内锥(Osculating Inward turning Cone,OIC)乘波体设计方法,发展了密切内锥乘波前体进气道(Os-culating Inward turning Cone Waverider Inlet,OICWI)一体化设计技术。基于基准内锥流场和前体进气道一体化设计技术,设计了密切内锥乘波前体进气道。采用数值方法对设计的密切内锥乘波前体进气道进行了计算分析,结果表明无粘流场结构和基准内锥流场吻合,无粘模拟结果和理论设计结果吻合。粘性数值模拟结果显示一体化进气道具有较高的流量捕获率及总压恢复特性,进气道出口流场分布均匀。

基于轴对称喷管的三维内收缩进气道的设计与初步评估

介绍了基于逆置等熵轴对称喷管的三维内收缩进气道的设计方法,并对设计的进气道的气动性能进行了初步评估。轴对称逆置等熵喷管采用特征线方法生成,以3°截短逆置喷管流动为基准流场,定义进气道出口为圆形截面,采用流线追踪方法和三维造型工具,生成了三维内收缩的超声速进气道,内收缩比CR=6.18。采用自主CFD软件分析了设计的内收缩进气道性能。无粘和粘性湍流计算表明,在设计点、起动状态下流线追踪进气道出口总压恢复系数高,流动核心区较为均匀。

吸气式高超声速飞行器三维后体尾喷管优化设计

三维后体尾喷管是吸气式高超声速飞行器产生推力、升力的关键部件,需要精细设计,最大限度地提升三维膨胀过程中的气动特性。本文在二维后体尾喷管优化设计的基础上,发展了一种三维后体尾喷管的优化设计方法。通过参数化建模、三维喷管计算网格自动生成、空间推进CFD解算器及NSGA-II多目标优化软件等技术手段,对后体尾喷管三维构型进行了多目标优化设计。优化后的三维后体尾喷管与原始喷管相比,推力和升力都得到了较大提升。

考虑可压缩与热传导的壁面函数边界条件及其应用

考虑到可压缩和热传导效应的壁面函数边界条件,被耦合到了采用k-ω两方程湍流模型、用有限体积法求解N-S方程的程序中。壁面函数基于耦合的速度和温度型,并且在边界层内的粘性子区和对数区内一致有效。引入壁面函数边界条件后,通过算例验证在y+<100的范围内,得到的物面压力、摩阻、热流与实验结果比较,结果可靠。而无壁面函数边界条件时,要得到相同精度的结果,要求y+≈1。壁面函数的引入,为工程上准确预测飞行器在湍流流动中表面受力与气动热提供了保障。

模拟飞行条件下的吸气式高超声速飞行器后体尾喷流干扰问题实验方案研究

后体尾喷流干扰问题的准确模拟,对大尺度一体化飞行器气动力预测及后体尾喷流干扰机理认识至关重要。为了研究后体尾喷流干扰问题,本文基于相似理论,开展了模拟内外流相似参数的喷流干扰实验方案研究。提出了采用CF4+Air混合气体形式,模拟超然冲压发动机出口热态喷流的比热比等相似参数,建立了模拟真实条件下的喷流干扰问题的模拟方案。采用数值仿真软件对飞行条件和风洞条件下后体尾喷流干扰问题进行了数值模拟,从数值模拟结果来看,模拟内外流相似参数的喷流干扰实验方案是完全可行的。

密切曲面内锥乘波前体进气道设计和试验研究

介绍了密切曲面内锥乘波前体进气道（Osculating Inward turning Cone Waverider Inlet，OICWI）的一体化设计方法，对该型乘波前体进气道的性能进行了数值分析，针对该型一体化乘波前体进气道完成了风洞试验研究。理论设计结果和设计状态无粘模拟结果一致，设计状态下的计算结果表明，前体进气道具有较高的总压恢复、较好出口流场均匀度及较高的流量捕获率。试验研究结果表明，改型一体化前体进气道在马赫数5～7条件下顺利启动，流场波系及压力分布同数值分析结果吻合。

密切曲面锥乘波体——设计方法与性能分析

介绍了密切曲面锥(osculating curved cone,OCC)乘波体的设计方法,并对密切曲面锥乘波体的流场结构及气动特性进行了分析.密切曲面锥方法采用具有直线激波和等熵压缩波系的曲面锥作为基准流场,在定义乘波体激波型线(inletcapture curve,ICC)和前缘捕获型线(front capture tube,FCT)后,采用密切轴对称和流线追踪技术,设计生成密切曲面锥乘波体.采用数值方法对设计的密切曲面锥乘波体进行了模拟,理论设计结果和数值模拟结果一致.对密切曲面锥乘波体和密切锥乘波体进行了比较,密切曲面锥乘波体克服了密切锥乘波体压缩量不足及容积率偏小的缺点.

吸气式高超声速飞行器气动力气动热的数值模拟方法及应用

对吸气式高超声速飞行器而言,物面热流和摩阻的准确预测对飞行器设计及安全十分关键.介绍采用CFD准确预测气动力和气动热的方法,包括流动的控制方程、湍流模型及湍流的先进壁面函数边界条件,介绍流动的数值求解方法.对典型超声速层流和湍流流动的摩擦阻力和热流进行详细的验证与确认,考察CFD工具在使用先进壁面函数边界条件后,湍流计算的法向网格无关性能力.对设计的一种吸气式高超声速飞行器的气动力和气动热进行数值模拟,为飞行器的气动设计及热防护提供了可靠的数据.

密切内锥乘波体设计方法和性能分析

发展了密切内锥乘波体的设计方法.密切内锥乘波体采用ICFA(internal conical flow A)流动作为基准流场,在定义乘波体出口激波型线(inlet capture curve,ICC)和前缘型线(front capture tube,FCT)后,采用密切轴对称技术及流线追踪技术,设计生成密切内锥乘波体.采用数值方法对设计的密切内锥乘波体在设计状态下进行了模拟,将理论设计结果和数值模拟结果进行了对比验证,数值模拟和理论设计结果一致吻合.

比热比和压比对高超飞行器尾喷流影响的实验研究

采用比热比为1.25的四氟化碳和空气的混合气体,模拟了超燃冲压发动机出口高温燃气的比热比。采用模型内喷管模拟发动机内喷流,风洞流场模拟飞行器外流。在0.5m常规高超声速风洞中,建立了模拟吸气式高超飞行器热态尾喷流干扰研究的实验手段,开展了喷流比热比对吸气式高超声速飞行器后体区域气动性能影响的实验研究。比较了相同外流和喷流落压比条件下,纯空气和混合气体喷流在喷流干扰区域的压力分布及流场结构。结果显示,混合气体喷流和空气喷流在喷流干扰区域的流场及表面压力分布差别明显。实验证实了喷流比热比是一个不可忽视的重要因素,在研究吸气式高超声速飞行器喷流干扰问题时应准确模拟。

激波对激光束远场强度分布影响的数值研究

研究了半径0.1m、焦距106m、波长分别为10.6μm、1.315μm的激光束通过具有激波结构的超声速绕楔流场后的远场强度分布。得到了沿光束传播方向积分的流场的光程差分布以及激光束在穿过超声速绕楔流场并在无扰来流中传播1km后光束的强度分布。结果表明:强的激波结构使激光束远场强度分布发生了向光程增大方向的明显偏折,对于波长不同的激光束得到光束通过流场后的远场强度分布不同。

空间推进方法求解抛物化Navier-Stokes方程及其验证

采用伪时间空间推进方法求解完全气体PNS方程。PNS方程采用有限体积方法离散,在推进方向上采用一阶精度迎风格式,在推进面的展向和法向采用三阶精度的MUSCL插值和AUSM类通量构造格式;在推进面上的伪时间推进采用二维LU-SGS迭代方法。通过算例证明,空间推进方法能得到正确的压力、摩阻和热流分布,且计算时间比时间迭代方法快一个数量级以上。

曲外锥乘波前体进气道流量测量及实验与仿真对比研究

流量捕获特性是高超声速进气道的重要特性。针对一体化曲外锥乘波前体进气道,开展了流量特性精细测量分析以及实验与仿真对比研究。采用节流实验系统,在来流马赫数3.0、3.5和4.0,迎角-4°至6°和不同进锥位置上,获得了该型前体进气道的流量特性,分析了流量测量均方根误差。开展了来流马赫数4.0、迎角-4°~6°条件下的实验与仿真对比研究。研究结果表明:一体化曲外锥乘波前体进气道构型具有良好的流动捕获能力,在来流马赫数3.5、4.0和6.0以及迎角0°条件下,流量系数分别为0.60、0.68和1.00;在节流实验系统充分壅塞的条件下,流量测量均方根误差在2%以内;仿真所获流量特性随迎角变化的线性度较好,和实验结果的吻合度较高。

曲外锥乘波体进气道的一体化设计和性能分析

为了研究乘波体和进气道的一体化技术,提出了一种新型曲外锥乘波体和进气道的一体化设计方法,在Ma5.5条件下,设计了一体化乘波前体进气道的理论构型。在设计状态,对一体化前体进气道进行了无粘数值仿真,将获得的流场结构及流动参数同理论设计结果进行了对比分析,验证了设计方法的正确性。在马赫数4,5.5和6,攻角-2°～6°内,对一体化构型的基本性能进行了无粘数值仿真,获得的结果表明,该一体化构型具有良好的气动压缩特性。给出了乘波体/进气道一体化设计的新途径,实现了乘波体和进气道符合气动规律的一体化匹配。

强激光与超音速自由剪切层的相互作用

以波长为10.6μm,半径0.1m,焦距106m的激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为物理模型,研究了由于辐射加热强激光束对流场的干扰以及激光束穿过流场后光束远场强度的分布。结果表明:由于流场的存在,使光束的远场强度分布产生了较为明显的变化,对于射流出口处不同的马赫数以及出口压力,流场对光场的远场强度分布影响不同;对于没有引起气体介质电离的强激光束,由辐射加热引起的对超音速自由射流剪切层流场的影响可以忽略。

强激光在超音速射流剪切层中传播的数值研究

以波长10 6μm、半径0 1m、强度166W的高功率CO2激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为计算模型,研究了由于强激光束辐射加热对流场的干扰以及激光束穿过超音速射流剪切层后远场光强分布的变化。结果表明:在不同的马赫数下超音速射流剪切层流场对激光束远场强度分布影响明显不同,流场密度分布的微小变化都会使光束远场强度分布产生显见的不同;对于透过超音速射流流场的非聚焦的强激光束,由强激光束所产生的辐射加热对流场所造成的干扰可以忽略。

强激光与自由射流剪切层的相互作用

在论述光场与流场相互作用规律的基础上,以激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为物理模型,研究了由于辐射加热强激光束对流场的干扰以及激光束穿过模型流场并在静止大气中作远距传播后光强分布的变化。结果表明模型流场对激光束远场强度分布有明显影响,流场密度分布的微小变化都会使光束远场强度分布产生明显的不同;在强激光与高速流场相互作用的过程中,如果辐射加热机理与文中的情况类似,强激光束的辐射加热对流场所造成的干扰可以忽略。

强激光在超音速射流剪切层中传播的数值研究

以波长 10 .6 μm、半径 0 .1m、强度 10 6W的高功率CO2 激光束穿过二维超音速自由射流剪切层流场为计算模型 ,研究了由于强激光束辐射加热对流场的干扰以及激光束穿过超音速射流剪切层后远场光强分布的变化。结果表明 :在不同的马赫数下超音速射流剪切层流场对激光束远场强度分布影响明显不同 ,流场密度分布的微小变化都会使光束远场强度分布产生显见的不同 ;对于透过超音速射流流场的非聚焦的强激光束 ,由强激光束所产生的辐射加热对流场所造成的干扰可以忽略。

三维内转式进气道双激波基准流场的设计方法

探索了一种三维内转式进气道基准流场的设计新思路,基准流场由特征线方法设计的曲面压缩系统组成,包含一道入射激波和一道末端激波,消除了激波在内通道的连续反射。通过数值模拟对该设计思路进行了验证,结果表明:该双激波轴对称基准流场,前缘激波和末端激波入射位置与设计吻合,末端激波入射在肩点且完全实现消波;特征线计算获取的外壁面马赫数分布和CFD结果吻合较好;经过设计,在喉部截面上流动参数比较均匀,总压恢复系数达到0.91;无粘条件下流线追踪进气道完全继承了基准流场的流动特征,流量捕获系数0.999,喉道总压恢复0.88,与同设计条件流线追踪Busemann进气道相当。