气动弹性专题序言

气动弹性与航空、航天等工程领域的发展密切相关,研究内容涵盖了气动弹性力学理论、数值、实验和工程应用等诸多方面。传统的气动弹性力学涉及气动力、弹性力与惯性力的耦合,涉及颤振、抖振、嗡鸣、阵风响应、桨叶动特性、叶轮机气动弹性力学、桥梁风致振动等.动力学问题,以及飞行载荷、静气动弹性修正、发散、操纵效率等静力学问题。随着航空、航天等工程技术的发展,在工程实践中出现了诸多新的气动弹性问题,例如高超声速飞行器热气动弹性、大直径比整流罩运载火箭跨声速抖振、创新布局飞行器气动弹性.

《气体物理》简介

《气体物理》由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天空气动力技术研究院(主要主办单位)、中国宇航出版有限责任公司共同主办.国内统一连续出版物号为CN 10-1384/O3,中文,双月刊,大16开.逢单月(一月、三月、五月、七月、九月、十一月)出版,每年6期,每期64页.

锥体后速度场与压力场的测量与分析

利用全流向十七孔压力探针,测量了Re=1.5×10~5与Re=3.0×10~5(基于锥体底面直径),攻角为0°,锥角为60°的圆锥体后流场速度与压力分布,并用烟线法进行了流场显示对比,得到了所述两种来流条件下锥体后流动速度场与压力场的详细实验测量数据.对速度与压力分布特征进行相关分析后,得到了两种来流条件下流场涡量ω与耗散熵产S_f云图.同时发现在两种来流条件下,锥体后流场可明显划分为3个区域.轴向速度V_z沿锥体轴线分布规律非常相似,均存在3个低速极值点,且锥体后流动驻点位置静压力均基本等于环境静压力.

激波加载初始非均匀气体流场界面不稳定性数值模拟

流体力学界面不稳定性及其后期的界面混合现象,是一种十分复杂的多尺度非线性物理问题,在惯性约束聚变、天体物理以及水中爆炸等领域有着广泛的应用前景,对该问题的研究不仅具有很高的学术价值,而且对促进相关领域的发展具有重要意义.中国工程物理研究院流体物理研究所基于Euler有限体积方法,发展了适用于可压缩多介质黏性流动具有多亚格子尺度模型的大涡模拟程序MVFT,并评估分析了不同亚格子尺度模型对界面不稳定性及界面混合的模拟能力;提出了流场非均匀性对R-M不稳定性影响的问题,并在激波驱动轻重气体双模扰动R-M界面不稳定性实验中成功应用并解读了新的实验现象和规律,在此基础上进而开展了反射激波作用下两种初始非均匀流场界面不稳定性引起的界面混合数值模拟研究,探讨了流场非均匀性对激波反射后强非线性阶段界面不稳定性发展、演化规律的影响,近期还对非均匀流场R-M不稳定性的演化规律、初始流场非均匀性和初始扰动效应及其影响的物理机制进行了分析和研究.

超声速进气道起动与不起动的流动特征结构的机理分析

基于Wagner等实验的超声速进气道模型,采用RANS-SST计算方法分析超声速进气道起动和不起动流场特性。通过拓宽计算域和采用来流边界层自由发展方法,准确预测了典型的进气道不起动过程中可能出现的周期性振荡流现象,包括进气道内部高压的产生和降低、下壁面大尺度分离泡的膨胀收缩和迁移,并伴随不起动激波的传播。进气道完全起动状态(末端活门挡板角度β=0°)时得到的波系结构、壁面压强和流向速度分布计算结果与实验测量值相吻合;不起动状态(β=28°)时流场的振荡周期和振幅与实验结果一致。对进气道不起动的非定常流场进行动态模态分解,发现了3个特征频率:主频f 1=69.8 Hz的流场模态揭示了进气道出口的压强振荡最强,而入口及上壁面的速度振荡最强;二倍频f 2=139.7 Hz和三倍频f 3=209.5 Hz捕捉到的流场模态主要是离散的小尺度高能结构。在不起动状态的振荡过程中,进气道入口外部流场产生了较大的速度和压力脉动,所以对进气道内外流场相互作用的准确描述是预测不起动状态振荡流动的重要因素。

钝锥再入飞行器黏性干扰效应建模

针对典型的钝锥外形,采用统一气体动理学格式(UGKS)模拟了高度70~110 km下不同Mach数和攻角的流场,进行了流场特性的分析,并基于黏性干扰的理论成果,将气动力特性与第3黏性干扰参数、攻角和Mach数等参数进行关联,建立了气动力系数的黏性干扰模型,给出了模型预测结果的相关性分析和准确性评估。经初步测试,该模型预测结果与UGKS直接模拟结果具有良好的一致性,对工程应用快速获取高空气动特性具有重要意义。

脉冲电子束荧光技术测量稀薄流场速度研究

脉冲电子束荧光测速技术是一种直接测量稀薄流场速度的非接触手段,以Φ0.3 m高超声速低密度风洞Ma=12型面喷管为对象,在总压2 MPa、总温650 K的状态下,测量了喷管出口150 mm截面的径向速度分布,各点的7次测量结果表明重复性偏差约为10%,最大相对不确定度为4%,中心位置的速度与Pitot管测压技术、Rayleigh散射测速技术、N-S/DSMC数值模拟获得的速度相比较,偏差为1%,表明脉冲电子束荧光技术获得流场速度的方法是可靠的.

磷光热图技术在常规高超声速风洞热环境实验中的应用

通过采取快速插入、建立同步采集系统等措施,在中国航天空气动力技术研究院FD-07常规高超声速风洞建立了磷光热图技术,并成功地获得了平板三角翼模型表面热流分布.基于实验结果,初步分析了来流Reynolds数等参数对三角翼表面热流分布的影响.结果表明,三角翼外形中心线处转捩靠后,两侧转捩靠前,且随着来流Reynolds数的增加,转捩位置进一步前移.总的来说,磷光热图技术能够直观地显示流动转捩发生的位置以及转捩后湍流区的形状,为高超声速飞行器热防护设计提供了一种新的技术途径.

e^(N)方法用于高超声速圆锥边界层转捩预测的可靠性

e^(N)方法基于扰动在边界层中线性演化过程中的幅值增长程度来预测转捩。以来流Mach数为6、不同壁面温度条件下不同钝度圆锥为研究对象,结合直接数值模拟和抛物化稳定性方程,从e^(N)方法是否能够准确描述扰动在上述边界层中线性增长的角度,分析了该方法预测转捩的可靠性。研究结果表明,在小钝度或高壁面温度情况下,扰动在向下游的演化过程中从第1模态转变为第2模态,基于线性稳定性理论的e^(N)方法变得不再可靠。壁面温度相同,头部钝度越大,e^(N)方法越可靠;同等钝度下,壁面温度越低,e^(N)方法越可靠。由于存在模态转换时,线性稳定性理论总是低估扰动的增长,因而对于给定的转捩判据N_(T)(可由某一工况实验标定给出),若钝度减小或壁面温度增加到一定程度,e^(N)方法给出的转捩位置比实际情况更靠后。重新标定转捩判据时,钝度越小,壁面温度越高,N_(T)的修正程度就越大。

新建高焓激波风洞Ma=8飞行模拟条件的实现与超燃实验

针对高Mach数超燃冲压发动机实验能力空缺问题,基于航天十一院新建的FD-21高能脉冲风洞,进行了Ma=8超燃飞行条件的模拟能力设计与调试,获得了总焓2.9 MJ/kg、总压11.01 MPa实验条件,实现了Ma=8、高度31 km飞行条件的风洞模拟.在此基础上,研发了匹配的氢燃料供应及喷注时序控制系统,设计了超燃冲压发动机模型,开展了超燃冲压发动机模型自由射流应用性风洞实验,获得了氢气燃料与空气、氮气超声速气流耦合流动作用下的实验模型壁面压力数据.在当量比近似一致条件下,空气来流对应的燃烧室壁面压力明显高于氮气来流情况,表明氢气在1 ms有效实验时间内完成了与超声速空气来流的混合、点火与燃烧,获得燃烧释热特性,确认了在FD-21高能脉冲风洞开展高Mach数超燃实验是切实可行的,为后续研究奠定了良好的基础.

复杂外形静动态混合网格生成技术研究新进展

网格生成技术是CFD复杂工程应用的重要环节,网格质量的好坏直接影响计算结果的精准度,因此其已成为CFD的重要研究领域.在张涵信院士的指导下,作者自20世纪90年代初开始开展非结构网格、混合网格技术和相应的计算方法研究,并逐步发展至动态混合网格技术及非定常计算方法.在张涵信院士80华诞之际,对近年来作者及团队在网格生成技术及应用方面所取得的进展进行了简要的综述,分别介绍了静动态混合网格生成、定常/非定常计算方法、网格技术的应用等方面的进展情况.最后,就网格生成技术目前还存在的问题,展望了未来的发展方向.作者谨以此文表达对张涵信院士25年来的培养、关怀和帮助的崇高敬意.

斜波转捩研究综述

斜波转捩是一类由一对频率、波角相同但方向相反的斜波引起的转捩过程,广泛存在于平板、零攻角圆锥、二维曲板等边界层流动以及压缩拐角流动、自由剪切流动中。斜波转捩不仅是超声速乃至高超声速流动中主要的自然转捩路径之一,还代表一种重要的亚临界转捩或旁路转捩路径,在管流、槽道流乃至高超声速大钝度熵层/边界层流动转捩中扮演着重要角色。开展斜波转捩研究对深化转捩机制认识,改善转捩预测水平,提升转捩控制能力,进而优化飞行器设计具有重要意义。为此,回顾了斜波转捩研究30余年来的发展历程和重要进展,介绍了斜波转捩发生机制、与其他转捩路径的关系以及相关控制手段,并展望了有待进一步研究的问题。

《气体物理》简介

《气体物理》由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天空气动力技术研究院(主要主办单位)、中国宇航出版有限责任公司共同主办.国内统一连续出版物号为CN 10 1384/O3中文双月刊大16开.逢单月(一月、三月、五月、七月、九月、十一月)出版每年6期每期64页.《气体物理》主编是中国航天空气动力技术研究院李锋.第三届编辑委员会由13名高级顾问、9名副主编、73名编委组成其中中国科学院院士12名.

当量比对圆盘结构下旋转爆震波传播的影响

为研究反应物当量比对旋转爆震波传播过程的影响,在圆盘形旋转爆震发动机上进行H2/air的旋转爆震实验研究,并统计分析了当量比对爆震波传播模态及参数的影响规律.实验结果表明,固定质量流率,同一种传播模态下,随着当量比的增大,爆震波的压力峰值及传播速度增大,且旋转爆震波的传播过程更加稳定.不同质量流率条件下,当量比对传播模态的影响规律不同.空气质量流率小于100g/s时,旋转爆震波皆以单波模态传播.空气质量流率大于150 g/s时,随着当量比的增大,旋转爆震波的传播模态由单波模态向双波模态转变,再转变为不对称双波模态,最后又回到单波模态.并且在不对称双波模态中发现了低频振荡现象,振荡频率约为300 Hz.质量流率继续增大,燃烧室中发现了同向三波传播模态.随着质量流率的增加,双波模态的当量比下限降低,不对称双波模态的当量比上限增大,而双波与不对称双波模态的分界线受质量流率的影响较小.

地形强迫对西边界流的影响探究实验

文章实验旨在利用实验室转台、常角度倾斜斜面、圆柱形障碍物以及水泵来模拟西边界流和海底地形.利用PIV粒子图像测速技术探究表层流场,并讨论当地形障碍物位于不同位置时,西边界流的流态变化及能量分布情况,进而探究流域中涡旋的产生位置、传播路径和涡周期.实验结果表明正压条件下入侵西边界流的地形障碍物能够在其下游产生涡动能较大的流动并可认为是黑潮延伸体模型,并且由于此流动具有强烈的不稳定性,有非定常涡旋在此产生并传播;另外,不同位置的地形障碍物也可能导致西边界流分叉,产生回流流涡,进而使得西边界流流量以及能量分布发生变化.

尺度自适应模拟和大涡模拟的关联性分析

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,系统研究了尺度自适应模拟(scale-adaptive simulation,SAS)和大涡模拟(large-eddy simulation,LES)的关联性问题.在理论分析方面,对比分析了系综平均和滤波的定义、Spalart-Allmaras(SA)湍流模型和动态亚格子(subgrid-scale,SGS)模型关于湍流黏性系数的求解方式.理论分析结果表明,系综平均等价于盒式直接滤波,SAS和LES的控制方程在数学形式上具有一致性;SAS存在过多的湍流耗散,主要来自于SA输运方程中的扩散项.在数值模拟方面,选取来流Mach数0.55,Reynolds数2×10~5的圆柱可压缩绕流为分析算例.计算结果表明,SAS和LES预测的大尺度平均流场信息几乎一致,SAS预测的湍流脉动信息略低于LES.SAS在圆柱近尾迹区的湍流耗散过大,而在稍远的尾迹区几乎能够完全等效于LES.

利用微气泡减小平板湍流摩阻实验研究

设计了一套实验装置研究微气泡减阻的效果.采用高速摄像机对二维平板微气泡湍流边界层进行了定量的可视化观察,用天平测量了平板的摩擦阻力,分析了不同通气量、来流速度、浮力对减阻性能的影响.结果表明,微气泡在高Reynolds数(Re=10~6)的流动中有效地减小了摩擦阻力,最大减阻率达到36%,证实了微气泡能显著降低平板摩擦阻力,实验结果也表明,随气体流量增加,减阻率增加.

《气体物理》简介

《气体物理》由中国航天科技集团有限公司主管,中国航天空气动力技术研究院(主要主办单位)、中国宇航学会、中国宇航出版有限责任公司共同主办。国内统一连续出版物号为CN10-1384/03,中文,双月刊,大16开。逢单月(一月、三月、五月、七月、九月、十一月)出版,每年6期。

单级跨声速压气机旋转失速模拟方法

为了研究多排跨声轴流压气机旋转失速先兆的表现形式与失速演化规律,基于自主研发的CFD软件ASPAC,通过发展动态重叠网格技术,流量出口边界条件以及节流阀边界条件,对单级跨声速压气机NASA Stage 35由近失速状态到完全失速状态的过程进行了模拟.结果表明,发展的数值模拟方法能准确地模拟多排压气机的旋转失速发展过程;均匀进气条件下,随着NASA Stage 35向失速状态逼近,某些动叶压力面前缘出现了叶顶间隙流溢流现象,促使压气机进入旋转失速状态;在失速先兆阶段,周向非均匀流动开始出现并沿压气机周向传播;当完全失速时,失速团充分发展并连续地沿周向旋转,结构几乎不随时间变化.