双射流激波针在高超声速下的减阻降热特性

严酷的气动力和气动热环境是制约高超声速飞行器发展的两个重要因素,如何高效地降低高超声速飞行过程中的阻力和热流一直是设计者们追求的目标。为此,本文提出了一种结合后向射流和根部逆向射流的双射流激波针新构型。数值模拟研究发现:该构型能够利用后向射流产生的反作用力削减逆向射流附加阻力对减阻效果的影响,因此与无射流和单一射流方案相比,双射流激波针的流场结构显著改变,减阻降热效果极大提高。此外,增大激波针的长径比(L/D)有利于提高双射流激波针的减阻效果,但会使降热性能有所下降:在本文研究中,当激波针长径比从1增大到4时,结构的总阻力系数降低了71.9%,而钝体总热流增大了13.7倍。同时,增大射流总压比PR可以显著降低壁面热流:当逆向射流总压比(P_(R,o))或后向射流总压比(P_(R,r))大于0.4时,钝体壁面的热流极低并开始出现负值;然而,阻力系数随P_(R,o)和P_(R,r)的变化趋势恰好相反,随着P_(R,o)从0.2增大到0.5,由于逆向射流附加阻力的影响,结构总阻力系数增大了66.7%,而得益于后向射流的推力作用,结构总阻力系数则降低了59.3%。

基于响应面法的带喷流激波针参数优化研究

对基于响应面法的带喷流激波针参数优化方法进行了研究,优化目标是最佳减阻效果和最小喷流流量,优化参数是激波针长度、喷流出口总压和喷流出口直径,利用响应面模型对设计参数与响应目标的关系进行建模,样本点设计采用了Ⅳ-最优方法,样本点的气动响应通过数值计算得到,最后用期望函数法进行多目标寻优。研究表明:激波针长度、喷流总压和喷流出口直径与阻力呈现2阶或3阶非线性关系,且激波针长度和喷流出口直径耦合效应较强;响应面模型给出了阻力与各设计参数关系的数学表达式,仅用较少的样本点就获得了设计空间内任意参数组合的阻力预测值和置信区间,效率较高;通过响应面法获得了最优参数组合,其阻力预测值与校验结果相比精度较高;响应面法应用于带喷流激波针这类多参数、多目标优化设计问题中,有计算量小、结果可信、实用性强的特点。

带喷流激波针流动特性实验研究

采用动态测力、动态测压和纹影等风洞实验技术,对加装了带喷流激波针的钝头体的绕流特性、稳定和非稳模态的形成条件和机理进行了研究.结果表明:带喷流激波针流场存在稳态和非稳态两种模态,超声速喷流的压比大于临界压比时流动处于稳定模态,反之则为非稳模态;增大激波针长度可减小钝头体阻力,但达到一定长度后,进一步减阻的效果不再显著;增大喷流压比能够有效减弱再附激波强度,有利于缓解单独激波针的肩部热斑问题;非稳模态下波系自激振荡对再附激波在钝头体表面所围的区域影响剧烈,振荡是周期性的,且存在确定的主导频率,主导频率随喷流压力比增大而减小;自激振荡的产生是由于喷流出口周围的反压在喷流压比小于临界压比时无法获得持续的平衡而导致.

高超声速自适应激波针数值研究

针对传统的与钝体轴线共线安装的固定式激波针方法在有攻角状态所存在的问题,在前人工作基础上得到一种新型高超声速飞行器减阻/降热方法——自适应激波针方法.将该方法应用于三维高超声速轴对称钝锥外形以及扁平楔外形,并采用数值模拟的方法对其进行了概念验证.在0°～12°攻角范围内,对不同L/D参数的激波针外形流场以及前缘壁面的压力、热流分布等进行了对比分析.结果表明,这种新型自适应激波针方法在攻角从0°～12°,均可有效降低高超声速飞行器头部壁面的压力和热流,有效解决了传统激波针方法在较大攻角状态下失效的问题.

激波针气动特性及外形参数优化研究

采用钝头体的飞行器在超声速特别是高超声速条件下,其前缘会形成头部弓形激波,进而带来较大的波阻,严重影响飞行器的气动性能。相关研究表明,在高超声速条件下,钝前缘安装激波针可以将激波推离物面,从而减小头部表面压力,是减小超声速钝体阻力的有效方法,但在超声速,特别是一些巡航速度不高(马赫数Ma=1.5左右)的导弹中,为满足射程等相关要求,对激波针减阻的使用价值还有待进行验证。为了研究激波针在Ma=1.5条件下对轴对称钝锥外形气动特性的影响,通过数值模拟方法对比了不同形状激波针在Ma=1.5条件下的减阻效果,分析了减阻机理及外形参数影响;通过基于Kriging和遗传算法相结合的优化方法对主要外形参数进行了优化设计,给出了减阻效果较好的激波针外形参数选取范围,对工程应用具有一定的借鉴意义。

基于气动/弹道耦合的激波针外形优化研究

为了优化钝形弹头激波针外形设计,在超声速条件下实现显著减小气动阻力,有效提高全弹飞行速度的目的,采用数值模拟方法研究了亚、跨、超声速范围内球头激波针外形参数对减阻效果的影响及其流动机理,并以最大落地速度为优化目标,基于气动/弹道耦合方法对激波针外形参数进行了优化。结果表明:亚、跨声速范围内,由于激波针产生的附加阻力较大,使得全弹阻力系数增大,激波针无减阻效果;超声速时,激波针的减阻效果明显,且随马赫数的增大,最佳减阻外形的长度增大,半径减小。基于气动/弹道耦合的激波针外形优化方法充分考虑了气动阻力对飞行弹道的影响,优化后全弹落地速度、射程增幅提高10.0%左右。同时,在计算范围内增加激波针对全弹升力特性、静稳定性的影响均较小。

逆向喷流激波针减阻防热特性

本文阐述了提高喷流激波针的减阻防热性能并探索肩部热斑问题的解决方法,采用Fluent软件有限体积法求解三维Navier-Stokes方程,并选用SST(k-omega)湍流模型,分别对不同长度的喷流激波针以及不同喷流压比的流场进行了数值模拟。仿真结果表明:增加喷流激波针长度以及喷流压比有助于提高其减阻防热性能,当L/R≥3,喷流压比≥0.3时,可有效解决钝头体肩部热斑问题,但随参数的增长减阻防热性能提升的趋势会减弱。

典型及衍生激波针构型的减阻降热流动特性

为探索激波针对超声速钝头飞行器进行减阻降热时的更优衍生构型,采用数值模拟方法对3种典型单扰流物构型、6种双扰流物构型、两类多扰流物构型和钝锥型激波针的流动特性进行了研究,认为加装激波针后的几何本质相当于“镂空式”的锥型钝头体。模拟结果显示:激波针头部扰流物相对直径较大时,减阻率随激波针相对长度的变化曲线没有明显的峰值点,而是存在一个变动幅度很小的峰值段,且相对直径在0.3~0.4左右时减阻效果最佳;典型激波针的最大减阻率约为50%,采用双扰流物构型时略有提升;中部增加多个扰流物时减阻率随扰流物数量增多而增大,最大减阻率超过60%,但气动加热问题较严重。相比而言,钝锥型激波针减阻降温的综合性能最好,最大减阻率可达60%左右,降温率约为7%。

带激波针的高超声速飞行器多目标优化设计

为进一步提高激波针减阻和降热的效果,在i SIGHT优化平台的基础上,以阻力系数和热流最小为目标,对激波针外形进行了多目标优化设计,实现了整个优化流程的全自动进行。试验采用优化的拉丁超立方采样技术生成样本点,利用i SIGHT软件的集成功能,实现几何建模、网格划分、数值求解的自动化,并采用径向基神经网络建立近似模型。同时,使用NSGA-II算法进行多目标优化,获得了Pareto解集。最后通过对一个典型外形气动性能的数值求解,验证了此优化设计的优越性。

典型激波针减阻降热特性及流动机理

为研究激波针对超/高超声速钝头飞行器进行减阻降热的相关特性,采用数值模拟方法对6种典型激波针构型的流动特征开展系统研究。给出了激波针长度、来流马赫数对流动特征的影响规律,并对其形成机理进行了探讨。结果显示:马赫数较低时,头部有扰流物的5种激波针在回流区即将分裂时减阻率最大;马赫数较高时,减阻率在回流区分裂前后出现局部峰值,但最大减阻率将出现在回流区分裂后更长的激波针长度下。马赫数为3时,6种构型减阻率达最大时的相对长度在0.8~1.2之间,相比而言,球型、半球型和双锥型的减阻效果最好,最大减阻率为45%~50%;圆锥型最差,为20%~25%,明显低于头部有扰流物的构型。相同的激波针长度下,头部有扰流物构型的减阻率随马赫数增大而增大,圆锥型则相反。流场回流区、分离激波、弓形激波、局部膨胀流动等导致的压力分布变化是构型整体阻力变化的主要成因。

面向非设计工况的激波针-喷流复合构型研究

逆向喷流激波针可有效降低设计工况的阻力和驻点热流,然而其在有攻角的非设计工况下面临减阻防热性能严重恶化的挑战。为此,对多喷流激波针减阻防热方案进行了数值模拟研究,探索了“激波针-逆向喷流-侧向喷流”复合构型的减阻防热效果,分析了该方案在非设计工况下的减阻防热机制,对比了侧向喷口数量和分布间距对减阻防热性能的影响规律。结果表明:有攻角条件下,激波针迎风侧斜激波会与钝头体前的再附激波发生干扰,导致热流和压力峰值远高于钝头体驻点值。通过在激波针迎风侧施加侧向喷流,可推离侧向激波,降低斜激波与再附激波的干扰强度,达到显著的减阻防热效果,实现壁面热流峰值降低53.8%、阻力系数降低36%。进一步研究发现,在喷流质量流量一定的情况下,增加侧向喷口数量与扩大喷口分布间距均会降低阻力,但一定程度上增大了热流峰值。具体而言,当喷口数量从1增加到4,阻力系数可降低6.5%,但热流峰值增加了10.8%;当喷口间距从4mm增加到8mm,阻力系数可降低13.2%,但壁面热流峰值增大了4.9%。

带逆向喷流激波针非设计点减阻防热性能研究

为了研究带逆向喷流激波针在非设计点状态下对钝头体的减阻防热性能,采用有限体积法求解三维Navier-Stokes方程,并选用SST k-ω湍流模型,分别对不同迎角和马赫数下带逆向喷流激波针钝头体的流场进行了数值模拟。仿真结果表明:在0°~6°迎角范围以及不同马赫数下,带逆向喷流激波针均能起到较好的减阻效果,改善了驻点区域热环境,但随着迎角的增大,逆向喷流激波针对钝头体肩部区域的防热能力减弱。

一种无烧蚀自适应的减阻防热新方法研究(英文)

为了解决传统激波针方法在高超声速实际应用中存在的问题,结合逆向喷流方法以及激波针方法,提出了一种无烧蚀自适应的高超声速减阻防热新方法--可伸缩姿态自调整喷流-激波针方法(TSAJS)。通过数值模拟的方法,针对不同L/D参数的TSAJS外形,对不同攻角、来流马赫数以及喷流马赫数状态下的流场结构、壁面压力和热流分布以及阻力系数等进行了对比研究。结果表明,TSAJS方法在有攻角状态仍然能够有效降低外形的阻力以及壁面热流,L/D为1的TSAJS外形可使壁面热流峰值及阻力系数均降低65%左右。在喷流作用下,TSAJS方法还可避免激波杆头部直接暴露于来流而产生严重的气动加热,从而不需要再特别考虑激波针的防热问题。