高超声速飞行器减阻杆-双盘-槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高超声速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆-双盘-槽道组合构型。在飞行高度30 km、来流马赫数6条件下,基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均N-S方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了其减阻防热特性。相比减阻杆-单盘构型,减阻杆-双盘构型减阻防热效果更好,而减阻杆-双盘-槽道构型可以进一步提高减阻防热效果。进行了组合构型的影响因素分析,数值仿真结果表明,在研究参数范围内,侧向排气孔靠近两个气动盘中间位置、第二个气动盘直径较大的构型减阻防热总体效果较好。相比减阻杆-单盘构型,较优构型的总阻力系数降低了24.70%,钝体壁面斯坦顿数峰值降低了53.63%。

带双气动盘的气动杆构型减阻防热性能研究

采用计算流体力学数值方法研究了带气动盘的气动杆对高超声速钝头体气动阻力和气动加热的影响,空间离散采用AUSM+格式,湍流模拟采用Menter's SST k-ω模型。结果表明带双气动盘的气动杆具有最佳的减阻防热性能,且其通过流场重构的方法实现了钝头体的减阻和防热。此外增加双气动盘之间的距离对钝头体的减阻防热性能不利,在进行气动杆设计时应尽量减小两个气动盘的距离。

气动盘对气动杆模型减阻效率的影响

为了降低高超声速钝头体的气动阻力,采用CFD数值方法研究了气动盘对气动杆减阻效率的影响。结果表明安装气动盘时钝头体前方回流区增大,钝头体压强峰值的位置向后移动,且模型阻力系数得到了有效降低。随后在此基础上研究了气动盘形状对减阻效率的影响。结果表明平面盘比尖锥形和半球形气动盘具有更佳的减阻效率,且平面盘还具有易加工制造的优点。

高超声速杆-盘-自耦合冲压横向射流概念的减阻防热数值模拟

对高超声速杆-盘-自耦合冲压横向射流构型的减阻防热效果进行数值模拟。相比单纯减阻杆-气动盘,杆-盘-自耦合冲压横向射流构型将剪切层推离壁面,扩大了靠近钝体的回流区,并将分离激波推离减阻杆,再附激波强度明显减弱,组合构型减阻防热特性显著提高。研究了杆-盘-自耦合冲压横向射流构型的减阻防热机理,并研究了不同参数对减阻防热效果的影响:在研究范围内,侧向排气口角度从30°增加到90°,减阻防热效果不断提升,但是当侧向排气角度从90°增加到120°,减阻防热效果略有降低。对于侧向多排气口,第二侧向排气口距离钝体壁面越远,减阻防热性能越好。在研究范围内,减阻防热效果最好的构型,与同参数减阻杆-气动盘构型相比,钝体壁面斯坦顿数峰值降低39.7%,构型阻力系数降低19.3%。

超声速飞行器减阻杆/盘与双喷流组合构型减阻和防热性能

为降低超声速飞行器的气动力和热载荷,研究一种减阻杆/盘与双喷流组合构型,并采用数值方法分析了几何参数和喷流参数对流场特征以及减阻和防热性能的影响。结果表明:减阻杆长径比对构型的减阻效率影响较小,但对防热效率影响较大;增加减阻盘直径比,构型的减阻效率先增大后减小,防热效率先减小后增大,但当逆向喷流总压较高时,减阻盘直径比对减阻和防热效率的影响均较小;提高逆向喷流总压比,构型的减阻和防热效率一直处于较高水平,且其变化幅度均不明显;提高侧向喷流总压比,构型的减阻和防热效率均增大,减阻效率变化率增大,防热效率变化率减小;侧向喷流出口位置远离钝体头部,减阻效率增大,防热效率减小;适当选取减阻杆/盘与双喷流参数,可达到57.1%的减阻效率,同时防热效率达到100.4%。

高超声速飞行器自适应减阻盘动态减阻机理

针对高超声速飞行器在动态机动过程中的减阻问题,基于非定常流动/运动耦合计算方法及动态混合网格生成技术,对自适应减阻盘在高超声速飞行器机动过程中的动态减阻效果开展研究,并分析飞行器阻力特性随不同参数的变化规律,为高超声速飞行器设计及优化提供一定的参考。同时,通过与固定式减阻盘对比,探讨2种方法在减阻机理上的差异。研究发现,在高超声速飞行器机动过程中,自适应减阻盘始终对准来流,有助于维持钝体前方回流区结构,有攻角状态下依然具有流场重构作用。相对于固定式减阻盘,在强迫俯仰振荡过程中,采用自适应方法后,80%以上的时间中减阻效果提升明显;且随着俯仰角增大,自适应方法的优势愈发显著。

超声速飞行器减阻盘与逆向喷流组合构型减阻防热性能研究

为降低超声速飞行器气动力和热载荷,采用数值方法对应用减阻盘与逆向喷流组合构型的钝体飞行器的气动性能进行了研究。首先,对仿真计算模型和数值计算方法进行了简要介绍。然后,进行了网格无关性校验和数值方法校验。最后,开展了仿真验证,分析了喷嘴直径比、减阻杆长径比、减阻盘直径比和逆向喷流总压比对减阻和防热性能的影响规律。研究结果表明:增加喷嘴直径比,减阻和防热效率均增大;增加减阻杆长径比,减阻和防热效率均先减小后增大;减阻盘直径比对减阻和防热性能影响不大;增加逆向喷流总压比可以显著改善防热性能,但会降低减阻效率。适当选取减阻盘与逆向喷流参数,最优构型可达到40.9%的减阻效率,同时防热效率达到72.2%。