高超声速飞行器激波干扰区缝隙流动传热特性研究

针对高超声速飞行器激波干扰区附近缝隙流动传热问题,建立激波发生器和缝隙的二维模型,利用CFD仿真分析技术,分别研究了激波作用于缝隙前、缝隙中和缝隙后情况下缝隙内部流动传热特性。结果表明,相比较无激波的状态,激波作用于缝隙前和缝隙中时,会明显改变缝隙内部流体的旋涡结构,使得缝隙内部流动强度和热量急剧增加;当激波作用于缝隙后部时,缝隙内部流体的旋涡结构没有明显改变,且靠近缝隙口的远端壁面热流有局部降低,有利于热防护结构的维型。研究结果表明,结构热防护设计时应避免激波作用在缝隙前部和中部的位置。

等离子体合成射流激波-激波干扰控制数值模拟

为了减弱高超声速飞行器头激波和侧翼前缘激波的干扰,建立了等离子体合成射流对高超声速飞行器激波-激波干扰控制的仿真模型,分析了等离子体合成射流激波-激波干扰控制的流场特性,探究了等离子体合成射流进行高超声速飞行器激波-激波干扰控制的效果,开展了激励器安装位置以及激励器注入能量的参数影响研究。研究表明:等离子体合成射流产生的弓形激波能使头激波抬起一定角度,减小头激波和侧翼前缘激波干扰,达到控制激波-激波干扰区热流和压力的效果;随着出口距离的增大,对热流和压力的控制效果先增大后减小;在一定范围内,注入能量越高,控制效果越好。

超音速子母弹分离激波干扰特性研究

超音速子母弹分离伴随着复杂的激波干扰,采用数值方法对超音速子母弹分离流场中激波与激波干扰特性进行了研究,数值计算结果与实验研究结果符合较好,表明利用AUSM+格式求解采用k-ωSST湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes方程,能较好地模拟超音速子母弹分离激波干扰。子母弹分离过程中不仅存在激波与激波碰撞、部分激波发生多次反射,而且由于干扰使气流方向发生变化,并形成变化复杂的压力、速度分布区域。通过对特定分离状态干扰流场结构的分析,探讨了子母弹分离激波干扰特性及其形成机理。

六类高超声速激波-激波干扰的数值模拟研究

基于粘性全N S方程,利用有限体积法进行数值离散,对Ⅰ到Ⅵ六种类型的激波-激波干扰现象进行了数值模拟,其中采用了二阶Harten TVD格式,LU隐式算法以及Baldwin Lomax代数湍流模型。每种类型都得到了清晰的干扰流场结构,其中Ⅳ型干扰的模拟结果与实验结果进行了比较,符合较好。数值模拟结果的对比指出,由入射位置差异引起的不同类型激波-激波干扰结构有很大不同,对壁面压强分布的影响也存在较大差异。

非定常IV型激波-激波干扰数值模拟研究

对IV型激波-激波干扰非定常流动进行了数值模拟,采用有限体积法,结合空间半隐的二阶OC—TVD格式与时间二阶显式Runge—Kutta法求解三维全N—S方程,并且使用了Baldwin—Lomax代数湍流模型.得到了周期性流场变化结果,其中包括周期变化的双涡结构.壁面压强峰值的大小和位置均呈周期性振动,壁面压力系数和Stanton数的时均分布与定常实验结果符合得较好.并从一周期内流场结构的扰动传播出发,分析了结构变化的相位,说明了IV型激波-激波干扰内在的非定常性机理与影响因素.

钝化前缘对栅格翼激波干扰与热流分布的影响

采用数值模拟与工程计算相结合的方法对高超音速栅格翼进行了研究,分析了在高超音速情况下,栅格翼激波干扰对前缘钝度的敏感性以及对栅格翼热流分布产生的影响。结果表明:在同等栅格间距下,产生激波干扰的第三临界马赫数随栅格翼前缘钝度的增大而增加,传统的尖前缘栅格翼理论不适用于钝化前缘外形。另外,激波干扰在栅格翼表面会产生局部的高热流区域,但此热流峰值与前缘驻点相比仍然较低,因此对栅格翼热防护无额外影响。

带凹腔钝头体第IV类激波干扰特性研究

采用激波风洞实验与数值模拟相结合的方法,对高超声速带凹腔钝头体的第IV类激波干扰非定常振荡特性进行了考察和分析。结果表明,随着入射激波与弓形激波相对位置的不同,第IV类激波干扰既可能出现稳定的波系干扰结构,也可能出现较为剧烈的非定常振荡现象。在实验条件下,观察到了高频前后振荡和低频上下振荡两种不同的振荡模式。数值模拟结果与实验吻合较好,超声速射流与凹腔的耦合作用在振荡过程中起到了关键作用。

高重频激光控制IV型激波干扰方法研究

在实验和数值分析IV型激波干扰特性及其对飞行器表面压力和热流影响的基础上,提出采用脉冲激光能量控制IV型激波干扰的方法,以降低飞行器波阻、驻点压力和热流。采用实验和数值方法,研究了100m J单脉冲激光能量与马赫5.0条件下IV型激波干扰的相互作用过程,揭示了单脉冲激光能量控制IV型激波干扰的机理。数值研究了频率为150k Hz的激光能量注入后,激光空气锥的形成及其与IV型激波干扰的相互作用过程,得到了钝头体表面压力、热流和波阻的演化过程。结果表明,沉积高重频的激光沉积方式可以利用相对较少的激光能量形成比较稳定的准静态波结构,进而利用准静态波与IV型激波干扰的相互作用将高能区脱离钝头体表面。在马赫数为5.0的流场中沉积频率为150k Hz、单脉冲能量为5m J的激光能量可使峰值压力、热流和波阻分别降低40%,33%和23%。

物体穿越斜激波干扰特性的数值研究

当物体以超声速穿越同向运动的斜激波时 ,它的飞行 Mach数和攻角都会发生较大的变化。穿越过程中斜激波与物体脱体激波发生相互作用 ,形成复杂的激波干扰波系结构 ,基本的干扰形式为复合 Mach反射结构。不同的穿越位置时 ,由于不同的来流条件 ,使物体上尾部凹坑内的流场和波系发生很大的变化。随着物体的穿越过程 ,当头部和凹坑下游壁面与翼面穿越激波时 ,阻力系数有两次剧烈的变化 ,法向力基本呈线性下降 ,压力中心先大幅度后移 ,物体逐渐穿过激波后又快速前移。因此穿越过程使物体加速 ,给物体的姿态带来很大的扰动。翼面穿过激波也造成阻力、法向力下降 ,压心后移。如果对有控制的飞行器 ,穿越激波时气动力特性和稳定性的急剧变化 。

第Ⅳ类激波-激波干扰非定常性及其敏感因素分析

针对高超声速二元进气道钝化唇缘位置可能出现的第Ⅳ类激波-激波干扰流动中的非定常振荡问题,采用基于有限体积方法结合网格自适应技术的VAS2D程序,数值求解二维可压缩层流Navier-Stokes方程,细致刻画了第Ⅳ类激波-激波干扰非定常流场中的复杂波系结构、壁面压力和热流分布,重点考察了入射激波位置、入射激波强度以及钝头体外形等对第Ⅳ类激波-激波干扰流动特性影响较为敏感的因素及其影响规律。数值模拟结果表明:第Ⅳ类激波-激波干扰流动可能出现非定常振荡,也可能呈现相对稳定的状态,入射激波条件和钝头体外形均可能对第Ⅳ类激波-激波干扰流动非定常性的显现及其振荡特征产生显著影响。采用无量纲的Strouhal数表征流动的非定常性,在文中数值模拟条件下,入射激波强度增大或者钝头体外形变钝,均会使得Strouhal数减小,而壁面热、力载荷有增大的趋势。合理地选择钝头体外形可望减小第Ⅳ类激波-激波干扰出现的比率,有效抑制流动中的非定常振荡现象,降低激波-激波干扰带来的热流和压力脉动峰值。

楔-后掠柱激波干扰流场和热流的工程算法

本文针对航天飞机机翼前缘的简化模型,即楔-后掠柱模型,在大后掠、高超声速条件下,提供了一种计算柱体前缘激波干扰流场和热流的工程计算方法。在中国科技大学流体力学实验室的激波风洞中取得了激波干扰的流场显示结果。计算的结果与国内外实验数据的比较表明,这是一种有效的方法。

斜激波入射V形钝前缘溢流口激波干扰研究

针对内转式进气道溢流口这一关键部位所面临的三维复杂激波干扰问题,将溢流口提炼简化为V形钝前缘平板,采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法,研究了前体斜激波与V形钝前缘溢流口相对位置变化引起的激波干扰的演化规律。结果表明:由于V形钝前缘自身的激波干扰,其驻点前弓形激波的脱体距离较大,波后存在大范围的亚声速区。当斜激波入射在该弓形激波接近正激波的部分时,发生Edney第Ⅳa类激波干扰,该流动结构与V形钝前缘自身带来的三维激波干扰相互耦合,形成多处超声速射流区域;当斜激波入射在该弓形激波亚声速区的声速点附近时,呈现出不同于Edney第Ⅲ类激波干扰的波系结构;当斜激波入射在该弓形激波的超声速部分时,形成的波系结构与Edney第Ⅱ、Ⅵ类激波干扰类似。

近轴对称内收缩流场中的激波干扰

针对高超声速三维内转式进气道中的复杂曲面激波干扰问题,提炼出不同来流迎角下的内收缩直锥流场,采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法,高效揭示小幅偏离轴对称状态时,内收缩直锥流场中的激波汇聚效应及干扰机理。结果表明:在轴对称情况下,即使内收缩直锥的前缘压缩角很小,由于汇聚效应,激波逐渐增强,在轴线上必然发生马赫反射并形成马赫盘,继而终止了激波的进一步汇聚增强;而在来流有迎角情况下,流场小幅度偏离轴对称后,表现出复杂的三维特征;沿流向迎风侧激波的汇聚增强比背风侧更快,在对称面上迎风侧和背风侧激波干扰的位置偏离轴线,并且可以发生规则反射;在对称面发生规则反射的情况下,激波反射后局部能够达到的压力比发生马赫反射的情况下马赫盘后的压力更高;随着内收缩直锥前缘压缩角的增大,对称面上发生规则反射时的临界迎角也呈现增大趋势。

运动物体与运动激波干扰流场特性数值研究

用数值方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程,模拟了运动物体分别以超声速和亚声速穿越激波的全过程。在这两种情况下,激波都是从高压区运动到低压区,阻力急剧地减小,但在亚声速情况下,会在物体上产生不对称力和力矩,导致运动物体的不稳定。

激光能量注入控制Ⅳ型激波干扰的数值研究

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰,有效地减小钝头体压力载荷.基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法,在来流马赫数为3.45的条件下,计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响.研究结果表明：单脉冲激光能量注入后一个较短时期内（50～60 μs）,钝头体表面压力突然升高,随后压力有一个较为明显的下降过程,然后恢复原状态;当注入的连续激光能量较小时,钝头体表面压力略微增大,随着注入能量增大,钝头体表面压力峰值减小;在注入能量到一定程度时,钝头体表面压力峰值减小已不明显.

Fluent的高超声速锥形弹丸间的激波干扰研究

采用Fluent仿真计算了双弹丸高超声速飞行时,第1枚弹丸的飞行激波作用于第2枚弹丸产生的动力学现象,分析了激波干扰在标准大气密度和80%密度下弹丸周围气体的压强、速度、密度和温度的变化规律。仿真结果显示在干扰存在和密度ρ降低的情况下升阻比有所上升,激波阻力减小,利用弹丸自身空气动力可以达到增加散布面积的效果。

基于多层分块算法的激波干扰流场预测

激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一.特别地,第Ⅳ类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注.本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题,分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型,数值求解有黏二维可压缩NS方程,分析了高温气体效应对激波干扰流场结构,以及第Ⅳ类激波干扰流场状态参数的影响.接着,本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法(多层分块算法),给出能够预测不同气体模型下第Ⅳ类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型,进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估.激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明,不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著,获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值.

激波干扰对发汗冷却影响的数值模拟研究

基于宏观表征体元(REV)的数值模拟方法开展了激波干扰对异质发汗冷却影响的数值模拟研究,获得了外部激波干扰与引射气体边界层耦合相互作用流场特征。研究结果表明,不同冷却介质对于冷却效率有显著的影响,冷却介质比热容越大,相同注入率条件下的冷却效果更好;入射激波干扰会显著影响多孔材料表面的压力分布,使得多孔材料内部冷却介质会发生显著的横向流动,流动的重新分配使得处于高压区的干扰位置处的冷却效果降低;激波干扰引起的局部压力梯度还会使得高温主流与冷却介质掺混加剧,同时壁面的恢复温度也随之升高,显著影响激波干扰局部位置处的冷却效果。

双椭球和Edney-type Ⅳ激波干扰的高速流动数值模拟

气动热和激波干扰是高超声速流动研究的关键技术之一,为了实现对此类问题的准确数值模拟,采用基于有限体积法的多块结构网格自研软件,运用NS方程对典型算例双椭球和Edney-type Ⅳ激波干扰进行研究。结果表明:双椭球的主椭球前和两椭球相贯处形成两道激波,在小椭球上方相交产生干扰;双椭球上表面由于存在激波干扰,压强和热流变化较剧烈,下表面则变化较平缓。Edney-type Ⅳ激波干扰的入射激波和弓形激波相交形成超声速喷流区,在壁面附近终止于一道弓形滞止激波;物面压强和热流在超声速喷流冲击壁面处达到了峰值。文章获得了清晰的高超声速流场结构,验证了自研软件的模拟能力,为高超声速飞行器的数值预测评估提供了一定参考。

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题,设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计,采用空气隔热设计方式降低其侧向传热,实现了有效一维传热,延长了测试时间;并通过热流传感器标定试验,实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能,开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12),量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明,本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶,量热计响应时间较慢,但对于较大热流,由于极大减轻了侧向传热的影响,测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好,信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。