高超音速飞行器及其关键技术简论

简要评述了高超音速飞行器及其关键技术,包括:高超音速飞行的定义、高超音速流动的特征、高超飞行覆盖范围、高超飞行器蒙皮温度、以及高超飞行设计特点;高超飞行器的背景;高超飞行器研制的发展简史,及经验与思考;吸气式高超飞行器典型设计过程、发展战略、技术规划、和关键技术领域.

高超音速后掠激波与边界层干扰流场特性

应用表面油流和液晶温度显示，表面热流率的压力测量四种测试技术，在Ｍａ∞＝７．８、单位长度雷诺数Ｒｅ∞＝３．５×１０＾７／ｍ条件下，研究了３０°迎角尖前缘翼面诱导激波和湍流边界层干扰流场特性，结果表明，表面流动是准锥型；在强相互作用下，流动发生了二次分离和再附，导致表面油流线的流向角、温度、热流率和压力分布均出现明显的凹坑。

高超音速化学非平衡流的隐式格式迭代解法

针对高超音速化学非平衡流计算中的隐式TVD格式给出了一种迭代解法 .该方法是在原有的Harten Yee格式基础上 ,在每一时间步对无粘部分进行迭代运算 ,目的是为了加速收敛 .借助对模型方程的收敛性分析 ,证明该迭代算法是收敛的 .二维数值实验表明该方法对于高马赫数时的化学非平衡流能明显提高隐式格式的计算效率 ,其计算结果是满意的 .

用多重网格TVD方法求解三维高超音速粘性流场

本文采用时间相关法求解了三维Ｎ－Ｓ方程。在计算中，对于压力和对流项采用Ｒｏｅ的通量差分分裂技术和Ｏｓｈｅｒ－Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｈｙ的ＴＶＤ格式，对于粘性项，采用了中心差分格式。通过数值模拟得到了钝头双锥体高超音速层流流场在不同攻角下的数值解。计算的重点放在壁面热流率的预测。在攻角为４°和１２°的状态下，Ｓｔａｎｔｏｎ数的计算值与实验值进行了比较，二者吻合较好。为了加快收敛速率，计算时采用了多重网格方法。

三维高超音速复杂流场的分区数值计算

基于拼接网格系统 ,推导了一种适用于高超音速复杂流场分区数值计算的区域边界格式 ,通过区域边界格式对区域边界上的通量进行守恒性处理 ;在此基础上 ,发展了一个高超音速复杂流场分区算法。对高超音速粘性绕流流场进行了分区数值模拟 ,取得了较好的结果。

钝锥高超音速绕流脉冲扰动研究

为了探究来流脉冲扰动波对高超音速流动的干扰,采用7阶迎风WENO格式对无粘通量项离散和6阶中心差分格式对粘性项离散,并使用3阶总变差减少龙格-库塔法进行时间推进求解N-S方程.基于6马赫绕钝锥自由来流,在稳定流场来流外边界加入一个脉冲扰动波,直接数值模拟了脉冲扰动的演变发展过程,并基于ABAQUS有限元软件模拟了钝锥体的瞬态压力响应,分析了对气动热力学特性及钝锥力学特性的影响.结果显示,数值方法精确捕捉到了脉冲扰动的演变发展,在脉冲波作用下,弓形激波出现变形,来流扰动波参数被放大数倍甚至数十倍,近壁面区域产生了涡;流场气动热力学特性和结构压力响应显著地受到脉冲波扰动影响,钝锥头部区域表面的热力学特性变化趋势显著地异于非头部区域,且前者变化较后者显著,后者沿驻点线大致呈线性增长趋势.

数值模拟高超音速化学非平衡流的隐式格式

针对高超音速化学非平衡流提出了两种隐式格式．一种是近似因子分解算法对角化形式在隐式ＴＶＤ（全变差递减）格式上的推广，另一种可视为隐式ＴＶＤ格式的ＬＵ分解形式．数值试验表明，本文给出的算法保持了ＴＶＤ格式的高分辨率特性，同时计算量大大减少。

飞船外形高超音速流场N-S方程数值解

用二阶迎风TVD格式求解N-S访方程,对简化的飞船外形高超音速粘性绕流进行了数值模拟。给出了物面压力分布及流场结构,与实验及其他计算结果符合较好。计算表明,肩部圆弧半径对后体流场影响较小,但严重影响肩部附近热流分布。当肩部圆弧半径是头部半径的20％时,肩部热流低干驻点处热流;半径为5％时,肩部热流超过驻点处热流30％。

新型高超音速静压探针的设计和实验

参考了近40年来国外有关超音速和高超音速静压探针的研究成果,设计了多种并发展了二种高超音速静压探针。它们可精确地用于持续工作流场仅为30ms的流场静压测量。实测静压与自由流静压比p_(s,m)/p_(s,∞)=1.009;马赫数比M_(∞m)/M_(∞,)=0.993。实验在加拿大多伦多大学宇航研究院的高超音速炮风洞里完成。炮风洞喷管出口气流特性是:(空气)自由流总压比_(t,∞)=25.5MPa,总温T_(t,∞)=1000K;马赫数M_∞=8.30;自由流静压p_(s,∞)=2.13kPa;雷诺数R_e=3.2×10~7。以探针直径D为基准的R_(e,D)=34,000～52,800。这种探针己被用于“管内高超音速流场发展实验研究”中了。

高超音速钝头体绕流反应速率与壁面催化问题

反应速率与壁面催化是反应流中两个重要问题。本文以高超音速化学反应钝头体绕流为例对这两个问题做了初步的分析和讨论。反应速率问题实质上是反应速率常数实验数据的误差及其影响,本文根据实验数据的分散度大小以样本数据组和等效速率常数不确定性因子这两个概念建立反应速率常数分析数据库,通过对数据误差和计算结果的分析与比较总结出高超音速钝体绕流高温特性与化学反应特性计算结果依赖于反应速率数据库的某些规律。壁面催化问题是固壁对与之接触的气体化学反应的催化影响,通过引入一个新的壁面催化率参数来考虑壁面催化性质对高超音速钝体绕流计算结果的影响。由于引入和强化了上述概念,给化学反应速率与壁面催化问题的分析与研究提供了有力的手段,因而提高了数值模拟结果的可信度。

高超音速流场与结构温度场耦合计算

采用松耦合方法对高超音速流动与结构温度场进行耦合计算。流场空间离散采用AUSM+格式,时间离散采用隐式LU-SGS方法。结构温度场求解采用控制容积法。分析了高超音速圆柱表面热流和结构温度场的变化。通过与实验结果对比表明了本文流固热耦合计算方法的准确性。

钝锥高超音速绕流来流脉冲波扰动模拟及影响研究

论文采用高阶精度有限差分方法直接数值模拟(DNS)钝锥高超音速绕流中来流脉冲波扰动非定常流场,以快声波脉冲为例,分析了脉冲扰动波与弓形激波和边界层之间的相互干扰及扰动在高超音速流场中的发展、演变和耗散过程,研究了快声脉冲波幅值变化对流场气动热力学特性等的影响.结果表明,流场气动热力学特性显著地受到快声波脉冲影响,流场密度在脉冲与弓形激波干扰区域显著增大,而法向速度则在脉冲与壁面边界层干扰区域变化尤为显著,并在壁面附近产生了法向速度涡,扰动幅值越大,涡的强度越大,但其影响区域变小.弓形激波在来流脉冲作用下出现变形并向内侧弯曲,来流扰动幅值越大,弓形激波变形越大,流场参数受影响也越大,但幅值变化对流场参数变化趋势影响很小.

飞船高超声速粘性绕流的数值模拟

本文采用隐式ＮＮＤ格式，通过求解三维薄层近似Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，数值模拟了飞船高超声速粘性流场。在计算中充分考虑了网格雷诺数和网格分布对计算结果的影响，不但得到了满意的表面压力、热流分布和流场的物理量分布，而且得到与实验观察一致的表面油流图像和分离结构。

粘性高超声速激波—激波碰撞的计算和分析

本文用特征变量型的隐式ＮＮＤ格式计算了五种类型的高超声速激波—激波干扰流场，得到了清晰的流场结构图画，激波和剪切层等分辨很很清楚。计算的物面压力与实验甚为吻合。借助于激波极曲线，对第４类激波干扰结构进行了分析，解释了干扰引起物面压力增高的原因。

钝体高超声速三维分离流场特性数值研究

以双子星座简化外形为模型，通过有限差分法求解全Ｎ－Ｓ方程，数值研究了高超声速绕流中的三维分离流动特性。来流Ｍ＿∞＝７．０，Ｒｅ＿∞＝４．５×１０￣５，攻角范围为１０°－４０°。首先通过与实验油流照片的比较，证明了本文计算分离结构定性上的正确性。然后研究了不同攻角下背风面三维分离结构的变化，给出了柱段背风区常点型开式分离随攻角变化转变为整体闭式分离的过程，并从物理上分析了这种转变过程的合理性，认为不同分离形态在分离线起始点附近都有共同的压力条件，即垂直于分离线的逆压梯度，因此横向分离可以从常点型开式分离直接转化为闭式分离。

高超声速压缩拐角再附峰值热流率

给出三维和二维压缩拐角诱导激波与高超声速层流和湍流边界层相互作用的流场结构和前向压缩表面的热流率分布。实验气流M数为7．8，单位长度Re数为3．5×107／m。结果表明：激波与边界层相互作用能促进边界层转捩。只有基于再附峰值热流率位置长度的参考温度条件下的雷诺数足够低，相互作用过程才能是纯层流的。在全再附高超声速分离流中，再附峰值热流率可用Simeonides通用相关式进行估算。

机动弹头高超声速粘性绕流数值模拟

采用空间二阶精度的交替方向隐式分解的NND格式求解完全气体假定下的非定常薄层近似Navier-Stokes方程,并采用抛物化的椭圆型方程生成复杂带翼弹头的空间网格。最后给出了机动弹头在M_∞=7.3,α=20°下的流场计算结果。计算结果表明:本文所采用的计算网格及计算方法可以适用于高超声速复杂流场的数值模拟。

高超声速再入飞行器气动特性的快速预示——局部方法的推广应用

本文将计算高超声速稀薄气流过渡领域中气动特性的局部方法,推广应用到连续介质中弹头型高超声速再入飞行器气动力特性的快速估算。由激波风洞中M_∞=9.9时,一个8°钝锥的气动力测量结果,导出这一实验条件下的领域系数,并以此来估算不同锥角、不同钝度比及不同外形弹头型再入飞行器的气动力和力矩系数,其结果与无粘数值解及实验结果作了比较,在攻角2°～14°范围内吻合得很好。局部方法可用于弹头型高超声速再入飞行器气动特性的快速预示。