基于立方型气体状态方程的激波风洞准一维流动数值研究

采用基于立方型气体状态方程的准一维流动数值模拟方法研究了反射式高焓激波风洞的真实气体流动,重点关注了高压真实气体效应对风洞全场流动时空结构和驻室区气流参数的影响,并以理论分析揭示了高压真实气体效应对激波管内流动的作用机理。研究表明：对于以冷高压气体驱动的激波风洞,使用考虑分子体积和分子间作用力的真实气体状态方程能够更准确地描述气体的状态和风洞内的流动状况。高压真实气体效应主要在冷驱动气体中发生作用,其作用效果主要是使当地声速增大,从而使得入射稀疏波和反射稀疏波的传播速度加快;另一方面,高压气体效应在高温气体效应较显著的被驱动气体中作用微弱,且对激波管产生激波的强度和激波后的流动状态影响甚微。稀疏波的加快传播改变了激波管波系的相干时空关系。提前抵达的稀疏波可在一定情况下侵蚀激波风洞的有效试验时间。对于所测试的激波风洞构型,在150 MPa氢气驱动110 k Pa氮气的工况下,高压效应导致的有效试验时间缩短约38%。适当加长驱动段长度和采用高温气体驱动均可有效减弱高压真实气体效应的影响。     

利用真实气体效应提高激波阶跃压力

在本文中提出了在激波管中,利用真实气体效应来提高激波阶跃压力的新方法,该方法对获得阶跃特性好的高阶跃压力(例如,动压标定等)是非常好。它是借助在高压下计及分子之间作用力、分子体积效应和激励效应而获得压力增益。经分析和试验表明,该方法得到.阶跃压力是比理想气体高出30％,该方法在国内外尚未进行系统研究,是一个有发展前途的方法。     

火星科学实验室气动特性数值分析

针对火星着陆探测器进入-下降-着陆过程的高超声速进入阶段,求解三维流体动力学Navier-Stokes 方程与化学反应动力学模型,分析火星科学实验室进入火星大气时的化学非平衡效应、探测器周围的流场结构和气动特性在化学非平衡效应影响下的变化. 结果表明,CO₂ 在激波后大量分解,消耗大量能量;在化学非平衡效应影响下,探测器头部激波脱体距离大幅减小,尾迹旋涡运动减弱;化学非平衡效应影响下探测器升力系数变化不大,阻力系数高于完全气体,升阻比略低,配平攻角小于完全气体.     

自由活塞激波风洞

自由活塞激波风洞是一种使用自由活塞压缩器驱动的高焓脉冲型激波风洞。这种风洞是由R J Stalker提出并在澳大利亚国立大学首先建成和逐渐发展起来的高焓实验设备。经过30多年的改进与发展,日趋完善,现已成为研究高超声速气动加热、计及真实气体效应的气体动力学现象、特别是超声速或高超声速燃氢冲压发动机(scamjet)的重要设备之一,受到国际上航空航天界的重视。本文概述了自由活塞激波风洞的发展过程,系统地阐述了这种设备的结构特点和运行原理,给出了性能参数的计算方法和算例,及其性能指标,并讨论了这类风洞的优缺点。      

近空间高速飞行器气动特性研究与布局设计优化

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题.介绍了黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应对高空高速飞行器气动特性影响,回顾了飞行器气动布局设计优化的发展过程,给出典型高速高升阻比飞行器气动布局设计及优化的结果.      

高超声速飞行流场中的最大氧离解度分析

针对大气层内高超声速飞行时的化学非平衡现象,建立了沿驻点线流动的空气中氧离解度的计算模型. 模型假设氮气在氧气未充分离解时不发生离解,并且不涉及边界层内的复合反应. 理论计算发现,空气中氧的离解度随飞行高度的增加呈先增后减的非单调变化规律,其原因是由于化学反应平衡移动与非平衡效应相互作用的结果. 这一结论得到了数值模拟结果的验证,同时也解释了文献中当飞行高度较高时真实气体效应减弱的现象. 基于驻点线的近似理论模型,计算得到了轴对称钝头体绕流流场中的最大氧离解度及边界层外缘温度随飞行速度和高度变化的等值线图谱,相关结果可以为工程设计所用.      

真实气体效应试飞器气动布局研究

针对真实气体效应飞行试验的要求对试飞器气动布局开展了设计研究,采用平衡气体模型对真实气体效应进行数值模拟,通过与理想气体状态方程数值模拟结果的比较,分析了真实气体效应对不同试飞器外形气动特性的影响规律,总结出真实气体效应试飞器外形的基本设计要素,给出了适用于真实气体效应飞行试验的试飞器气动布局．     

地面效应影响下的高速火箭橇气动特性数值与风洞试验研究

精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。     

尖锐前缘气动加热机理与激波脱体距离研究

针对尖锐前缘所处的气动环境,分析了由于前缘尖化所带来的稀薄效应影响。应用理论方法推导了尖锐前缘驻点气动热的计算方法和计算公式,并结合CFD方法、DSMC方法和Fay-Riddel工程方法对其前缘钝头的流场、驻点热流进行了计算和对比分析。计算结果表明,由于前缘的尖化使得稀薄气体效应提前出现,从而影响到前缘的激波厚度、激波形状和激波脱体距离等流动现象,导致激波结构复杂化,可能会对进气道唇口的斜激波带来不利的影响。另外稀薄效应的影响降低了驻点热流,缓解了尖化前缘的气动热环境。     

高空高速飞行器气动特性研究

高空高速飞行中的黏性干扰效应、真实气体效应和稀薄气体效应成为决定未来空天飞行器能否实现安全飞行、精确控制和制导的重大基础科学问题, 必须发展相应的基础理论和研究方法.该文从计算方法、流动拓扑分析以及典型飞行器应用等方面介绍了作者所在研究团队近年来部分工作进展.      

等压比热在基于壁面放电的激波控制中的影响

放电等离子体对流动的控制机理可按热效应和非热效应分为两大类,其中放电等离子体的热效应对流场中激波结构有着明显的控制作用. 目前在放电等离子体热激励对激波控制的数值模拟过程中,通常采用等效热源的方式来实现放电的热效应,数值模拟和实验的结果显示放电产生的局部温度可达到上万度. 如果数值模拟的过程中没有考虑到气体等压比热随温度的非线性变化,计算得到的结果是有失真实性的. 本文以5 马赫的超音速进气道为平台,对基于壁面放电的激波控制过程进行了数值模拟. 选取了随温度非线性变化的等压比热,并且将其结果与定等压比热的计算结果进行了对比. 结果发现:(1) 两种等压比热下,计算结果显示放电热激励在激波控制上都有着显著的效果;(2) 两种计算结果在模拟与温度相关的参数(温度、马赫数和总压恢复系数)上的差别非常明显. 因此,为了获得壁面放电对激波控制更真实的计算结果,必须考虑到等压比热随温度发生非线性变化效应的影响.      

收敛柱激波在粉尘气体中的传播

取稀颗粒群气固两相耦合的双流体简化模型，采用高解数值方法研究了收敛柱激波在粉尘气体中的传播和波后流场特性。通过与纯气体情况比较，揭示了固体颗粒出现对收敛柱激波传播特性的影响。     

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.      

颗粒材料中致密波结构研究

采用一维两相流模型与相应颗粒构形应力函数,研究了致密波的形成及其结构．用简化两相流模型系统地讨论致密波对有关因素的依赖关系．分析指出：小于基体材料音速的致密波仅能在非理想颗粒材料中存在,从波前到波后,所有状态物理量光滑过渡．大于基体材料音速的致密波,波头可能存在间断．应力函数与致密粘性确定后,致密波速度决定致密波结构、宽度、终态压实度．采用一维两相流模型模拟了活塞驱动颗粒床形成致密波这一动态过程．用线方法（MOL）对该方程组求数值解．计算表明,经过短暂的非稳态过程,颗粒床中形成一稳态致密波．分析了活塞速度与初始孔隙率对致密波结构的影响,并对简化两相流模型与两相流模型的计算结果进行了对比．     

Propagation of pressure waves in two-phase flow

We deal with a pressure wave of finite amplitude propagating in a gas and liquid medium or in the fluid in an elastic tube. We study the effects of pipe elasticity on the propagation velocity of the pressure wave. Pressure waves of finite amplitude progressing in the two-phase flow are treated considering the void fraction change due to pressure rise. The propagation velocity of the two-phase shock wave is also investigated, and the behavior of the reflection of the pressure wave at the rigid wall is analyzed and compared to that in a pure gas or liquid. The results are compared to experimental data of a pressure wave propagating in the two-phase flow in a vertical shock tube.     

Solution of the equations of motion for a selectively radiating gas in a shock layer

Numerical solutions are obtained for the system of integro-differential equations describing the flow of a viscous, heat-conducting, selectively radiating gas in the region between the shock wave and a blunt body. The calculations are made for bodies of radius from 0.1 to 3 m with stagnation temperature from 6000° to 15 000° K. As a result of the calculations the convective and radiative thermal fluxes in the vicinity of the stagnation point are obtained. The effect of injection on convective and radiative heat transfer is studied.The first calculations of radiative thermal fluxes in air were made about 10 years ago in [1,2]. However, the results did not take account of the effects of emission and reabsorption, nor the interaction of the convective and radiative heating processes. These effects have been studied primarily with the use of simplified models of a radiating gas. Most often the approximation used is that of a gray gas with absorption coefficient which is independent of wavelength ([3–6] and others).The appearance in the literature of quite detailed data on the selective spectral absorption coefficients of air over a wide temperature range [7,8] has made it possible to solve the direct problem of calculating the flow field of a selectively radiating gas behind a shock wave with account for all the effects mentioned above.     

激波诱导含灰气体边界层中的粒子分布

本文研究当激波沿着一个固体表面等速地穿越含灰气体运动时所诱导的层流边界层特性。考虑了作用在气体边界层中球形粒子的 Saffman 升力,建议了一种计算近壁区中弥散相密度剖面的方法,并给出了数值计算结果。本文结果表明:在激波后方存在着一个弯曲的薄层区域,其中的粒子密度可以比其波前原始值增加许多倍。这种粒子聚集效应对于工业中粉尘爆炸等实际问题具有重要意义。     

基于ALE方程的动网格膛口流场数值研究

基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian Equation)方程的有限体积法,采用高精度Roe方法及结构化动网格,利用嵌入网格技术及动边界条件,对弹丸由膛内高压气体推动射出到完全飞高初始流场的整个过程进行了数值模拟.根据数值结果绘制了膛口流场密度和压力分布的时序图,形象地再现了膛口流场中初始激波、弓形激波及膛口冲击波,以及接触闻断、漩涡和剪切层等的动力学发展过程.结果基本反映了膛口流场的典型变化特征,为进一步研究真实膛口流场(如带化学反应、湍流等)奠定了基础.     

The effect of an unsteady drag force on the structure of a non-equilibrium region behind a shock wave in a gas-particle mixture

For numerical analysis of shock wave propagation in gas-particle mixtures, drag coefficients of a sphere in steady flows are generally used. However, it is shown both experimentally and numerically that a shock loaded solid sphere experiences unsteady drag forces. The paper describes a model of unsteady drag force and its effect on the structure of the non-equilibrium region behind a shock front traveling in a dusty gas. The results are compared with those obtained by using a steady drag coefficient and are discussed. It is demonstrated that the large drag force at the early stage of the interaction between shock-wave induced flow and a solid particle affects the flow structure that is obtained with a steady drag force.