基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明:对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 kPa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。

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。

两种燃烧加热风洞参数匹配方案的比较

燃烧加热风洞中的地面高超声速试验通常模拟真实飞行状态下的静温,静压,马赫数(TPM)或总焓,动压,马赫数(h0QM)。为弄清气流参数匹配方式对发动机性能的影响及其机理,基于准一维带化学反应数值模拟对这两种典型匹配方案获得可靠的燃烧室压力分布与发动机推力及比冲的能力进行了比较。结果表明,对于氢燃料加热气流,若燃烧室内未出现明显的局部热壅塞引起的激波结构,TPM匹配方案能较好模拟纯空气流动当量比相同时的压力分布;h0QM匹配方案则能更好模拟燃料量相同的情况;对于模拟燃烧室热壅塞效应,h0QM匹配方案表现更好。从模拟发动机推力的角度来说,两种匹配方案均可通过调整燃油量达到与纯空气结果的较好契合,不管燃烧室内是否出现壅塞激波结构;从模拟燃料比冲的角度来说,则h0QM匹配方案更可靠。燃烧释热比不同是导致两种匹配方案表现不同的关键原因。对于酒精燃料加热气流,两种匹配方案下发动机性能相仿;但此时污染效应更强,给优化匹配方案以准确模拟发动机性能带来更多挑战。