真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响

为研究高马赫数下真实气体效应对双楔绕流流动特性的影响,采用量热完全气体模型和化学非平衡气体模型两种气体模型对层流流态、转捩流态、全湍流流态的双楔绕流流场进行了数值模拟,其中转捩流态计算采用基于间歇因子的γ-Reθt转捩模型,全湍流计算中采用k-ωSST湍流模型。结果表明:双楔拐角附近发生流动分离,与量热完全气体模型相比,相同流态下,化学非平衡气体模型计算得到的分离区尺寸更小。在边界层转捩位置的分析中发现,双楔拐角附近的分离区对边界层转捩有重要影响,分离激波产生的位置与边界层开始转捩的位置高度吻合,与量热完全气体模型相比,化学非平衡气体模型时的边界层转捩起始位置更靠后。针对真实气体效应下单位雷诺数、拐角角度对边界层转捩的影响规律研究发现,真实气体效应在一定程度上抑制了分离区内的转捩流动,随着单位雷诺数减小、拐角角度增大,真实气体效应对边界层转捩的影响随之增大。

气体模型对再入飞行器气动力热环境影响的数值研究

复杂外形再入飞行器的设计,需对气动力热环境进行预测,由于不同的气体模型会对预测的结果产生影响,所以气动设计时就必须考虑这一影响。采用热化学平衡气体模型和双温度热化学非平衡气体模型对复杂外形再入飞行器的气动力热环境进行了数值计算;分析了气体模型对气动力、壁面热流等值线、驻点线平动温度、振动温度、组分质量分数等特征量的影响。结果表明:在激波处及激波层内采用双温度热化学非平衡气体模型的平动温度最高,热化学平衡气体模型的温度次之,双温度热化学非平衡气体模型的振动温度最低;双温度热化学非平衡气体模型子午面的热流密度比热化学平衡气体模型稍高,其中返回舱肩部相差最大,最大差别为25.02%;返回舱肩部热流比较大,结构设计时热防护问题突出;两种气体模型计算的气动力接近,其中气动力系数差别最大为4.2%。因此可以用热化学平衡气体模型来代替双温度热化学非平衡气体模型进行气动力计算,以使问题简化。

真实气体效应对Ma10级进气道流动的影响

为了探究高马赫数超燃冲压发动机高速飞行时真实气体效应对进气道流场的影响,仿真获得了不同气体模型下Ma10级进气道流场结构和性能。结果表明:进气道主流流场温度较低,不足以触发空气的离解反应,反应仅发生在边界层内,但反应程度较低,远未达到化学平衡状态,除了边界层温度及热载荷特性,其流场结果则更为贴近冻结流流场,因而化学非平衡模型与热完全气体模型的进气道通流流场结构和性能基本一致。而真实气体效应导致边界层特性的不同,对进气道起动特性产生影响,吸热离解反应通过对进口分离包的抑制和增大进口马赫数将进气道的再起动马赫数从9.8降低到9.4。在对进气道在宽速域应用中的钝化设计研究发现,真实气体效应虽然对前缘钝化进气道流场的压力分布和性能无明显影响,但是其能起到整体降低壁面热流的作用,不仅钝头处的热流降低了1MW/m2,通道内的热流也整体降低了0.1MW/m2。

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000~2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。