高超声速飞行复现风洞理论与方法

针对高超声速飞行伴随的热化学反应流动,本文回顾了郭永怀先生的科研理念和学科布局,综述了他亲手成立的高温气动团队在高超声速飞行风洞实验模拟理论与方法方面的研究进展.高温气体的迅速产生与迅速应用是一种理想的风洞运行方法,而激波管就是这样一种实验装备.论文首先介绍了激波管技术的基本理论与方程,指出将其用于高超声速流动实验模拟时所具有的独特优势.然后讨论了应用激波风洞复现需要的高超声速飞行状态的可行性、基本方程和需要解决的关键问题.针对这些关键问题,进一步介绍了如何应用爆轰现象研发激波风洞驱动技术的理论,并给出了基于爆轰驱动方法的技术发展和工程应用验证.最后,论文介绍了爆轰驱动激波风洞的界面匹配条件,该条件奠定了长实验时间激波风洞运行基础,是其他驱动方法尝试解决而没能完全解决的难题.高温气动团队关于高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究,实现了郭永怀先生的战略规划,成就了国际领先的高超声速热化学反应流动研究平台.      

高超声速飞行复现风洞理论与方法

针对高超声速飞行伴随的热化学反应流动,本文回顾了郭永怀先生的科研理念和学科布局,综述了他亲手成立的高温气动团队在高超声速飞行风洞实验模拟理论与方法方面的研究进展.高温气体的迅速产生与迅速应用是一种理想的风洞运行方法,而激波管就是这样一种实验装备.论文首先介绍了激波管技术的基本理论与方程,指出将其用于高超声速流动实验模拟时所具有的独特优势.然后讨论了应用激波风洞复现需要的高超声速飞行状态的可行性、基本方程和需要解决的关键问题.针对这些关键问题,进一步介绍了如何应用爆轰现象研发激波风洞驱动技术的理论,并给出了基于爆轰驱动方法的技术发展和工程应用验证.最后,论文介绍了爆轰驱动激波风洞的界面匹配条件,该条件奠定了长实验时间激波风洞运行基础,是其他驱动方法尝试解决而没能完全解决的难题.高温气动团队关于高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究,实现了郭永怀先生的战略规划,成就了国际领先的高超声速热化学反应流动研究平台.     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

双驱动激波管稀疏波破膜技术研究

本文介绍了在双驱动激波管中运用稀疏波破膜的技术。在以压缩空气和氮气作实验气体的情形下,实验研究了中间段长度、稀疏波强度及中间段B膜的破膜压力（压差）对第二激波追韩第一激波的影响。实验结果表明：中间段的长短,显著地制约着前后两道激波的间隔;稀疏波强度及中间段B膜的破膜压力对稀疏波破膜时间及第二激小对反射稀疏波的追赶有重要影响。     

前向爆轰驱动变截面激波管特性的数值模拟

讨论的激波管由氢氧前向爆轰产生高压驱动气体、并配有收缩截面段,它能产生高焓超高速气流.对此进行了模拟.既对变截面角度的作用,两端截面积比的作用又对比正向反向爆轰有何不同效果做了探讨.正向爆轰时主膜处的收缩段产生的汇聚作用既加强主激波又产生反向激波,缓解了爆轰波阵面后紧跟着的稀疏波导致主激波衰减偏快的不利影响.当收缩角度在30°和45°之间时,主激波的强度较高,衰减较小;当β接近90°时在主激波传播过一小段距离之后,主激波后高温高速气流较均匀,且主激波的衰减最小,具有实用价值.驱动段与被驱动段的截面积比越大,主激波的强度越高,但是最初阶段衰减也越快.反向爆轰时产生的主激波衰减最缓,但是同样的主激波强度需要的驱动段与被驱动段初始压力比前向爆轰高1个量级.     

探索发展激波风洞爆轰驱动技术

发现了燃烧驱动激波管中入射激波马赫数异常升高的起因. 实验显示爆轰驱动能力强于燃烧驱动, 从而推动爆轰驱动技术的发展. 采用卸爆管消除爆轰波反射高压以及双爆轰驱动段全部消除爆轰波后的Taylor稀疏波, 使反向和前向爆轰驱动模式具有实用价值. 反向爆轰驱动技术还成功用来延长激波风洞试验时间.      

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。      

激波风洞高低压段钢膜片破裂特性研究

激波风洞是用于高超声速飞行器气动外形设计和优化的常用地面试验装置,基于爆轰驱动技术,激波风洞能够在短时间(毫秒级)内产生高温、高压的驱动气体来模拟高超声速试验气流.主膜片位于激波风洞中的爆轰驱动段和激波管段之间,试验时膜片在爆轰脉冲压力下打开,膜片的打开状态和脱落情况对激波风洞气流品质有很大的影响. 同时,膜片也是形成激波的先决条件. 传统的风洞采用铝质膜片进行试验,在激波风洞中需要承压能力更强的膜片, 此时铝质膜片不再适用, 需要采用钢质膜片.因此, 对激波风洞中的钢膜片破裂特性进行研究很有必要.将数值计算结果与试验结果进行比较, 发现数值计算结果与试验结果吻合得比较理想,计算结果具有可靠性. 基于膜片的应力-应变模型, 建立了膜片打开的动力学模型,根据CJ爆轰理论, 采用有限元软件计算模拟了膜片破裂的过程,分析总结了膜片破裂的机制和力学特性规律.采用控制变量法对不同厚度和凹槽长度的膜片进行分析研究,得到了膜片破膜压力和有效破膜时间的变化规律. 在激波风洞试验中,根据膜片总破膜时间设计了适用于JF-12复现风洞的膜片参数.      

高超声速激波风洞研究进展

回顾了高超声速激波风洞的研制与发展,并依据高超声速实验研究对地面实验模拟技术的要求,分别介绍了应用轻气体、自由活塞和爆轰驱动技术研制的主要激波风洞的性能、特点和存在问题.重点介绍了爆轰驱动高焓激波风洞的3种主要运行模式:反向、正向爆轰驱动与双爆轰驱动. 根据这些运行模式的工作原理,分析了应用这些驱动技术产生的高温、高压气源的特点,探讨了不同驱动技术可能影响激波风洞性能的关键问题与解决方法.目前发展的激波风洞已经能够用于开展马赫数3$\sim$30的高超声速流动的试验模拟研究,但是试验气流的品质还不能满足高超声速科技研究的需求.为了获得可靠的实验结果, 通过不断改进、完善、提高激波风洞的性能,尽可能复现高超声速飞行条件是今后主要的研究方向.      

激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题

应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/ 边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及 其对风洞试验时间的影响. 为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板, 以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法. 计算结果表明：环形隔板确实可以限制驱动气 体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.     

正向爆轰驱动高焓激波风洞的数值模拟

对充满氢氧可燃气体、带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞进行了数值模拟。计算采用了欧拉方程,频散可控耗散差分格式（DCD）和改进的二阶段化学反应模型。在扩容腔附近采用二维轴对称计算模型,而在驱动段和被驱动段的直管道部分则采用一维计算模型。本文分析了爆轰波在管道中的传播、反射和绕射过程。计算结果表明扩容腔的尺寸对爆轰波的传播、反射、汇聚等起着决定性的作用;带扩容腔的正向爆轰驱动的激波风洞能够得到平稳的持续时间较长的气流,提高了实验的精确度和可重复性。     

球形重质气体物理爆炸特性

基于大涡模拟方法,结合高阶混合格式,对高压重质的SF₆球形气云在空气中爆炸进行了模拟。数值模拟表明,爆炸产生的激波经过气体分界面时分为透射激波以及反射稀疏波,透射激波导致气体分界面处Richtmyer-Meshkov失稳增强,从而加速了2种气体的混合,而反射的稀疏波经过汇聚,在球心处形成二次激波,在该强激波作用下,流场区域基本呈现湍流形态。     

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。     

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

一维与二维爆轰传播的时空关联特性数值研究

一维爆轰传播的理论完备、计算准确, 二维斜爆轰传播由于壁面与黏性效应, 大尺度、高精度预测还有一定难度. 利用Euler方程和H₂-Air基元反应模型, 对二维有限长楔面诱导的斜爆轰和活塞驱动一维非定常正爆轰进行计算比较研究, 从时空两个维度方面, 分析了两者在起爆过程、稀疏波传播、爆轰波面演化中的关联特性. 研究结果表明: 在过驱动度相同的条件下, 经过时空变换的活塞驱动一维爆轰传播与二维驻定斜爆轰在起爆区波系结构、波面演化特征和主要参数分布规律方面无论定性或者定量对比均符合较好, 所以, 一维非定常爆轰和二维驻定斜爆轰具有时空相关性. 两者的差异主要体现在过驱动斜爆轰受稀疏波影响过渡到近Chapman-Jouguet (C-J)爆轰状态所需的弛豫时间不同, 原因可能是起源于活塞和壁面稀疏波强度的差异. 本文提出的一维与二维爆轰传播的时空关联方法不仅有助于认知斜爆轰起爆、过驱爆轰产生、胞格爆轰演化的三阶段规律, 还可以对比揭示壁面、边界层和黏性效应的影响, 应用在斜爆轰发动机燃烧室设计中能够有效节约计算时间和成本, 并降低复杂度.      

不同状态方程对固体介质中斜激波反射的影响

相比气体,固体介质在高压下的状态方程更为复杂,形式也多种多样.现有关于固体介质中激波反射的理论研究,一般直接采用某种状态方程,缺乏对采用不同状态方程得到的结果的对比.本项工作采用激波极曲线的理论分析方法,选择4种不同组合形式的状态方程(一次冲击激波采用线性的冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用Gr(u|¨)neisen状态方程;一次冲击和二次冲击激波均采用冲击波速度与粒子速度关系式:一次冲击激波采用线性冲击波速度与粒子速度关系式,二次冲击激波采用刚性气体状态方程;以及一次冲击激波和二次冲击激波均采用刚性气体状态方程),研究固体介质中的斜激波反射,比较了采用不同组合形式的状态方程对反射激波波后压力的影响.利用量纲分析方法讨论了简化状态方程达到较高精度的条件.此外,用ANSYS/LS-DYNA软件,对激波极曲线理论给出的结果进行了验证.本项工作可为固体介质中激波反射问题状态方程的选取提供一定的指导.     

触摸高温气体动力学

回顾了高温气体动力学与高超声速科技相关的一些重要研究进展,探讨几个具有基础性研究意义的方向：即高超声速流动模拟;高温气体热化学反应机制;高超声速流动滞止区预测;高超声速边界层转捩和激波/激波相互作用诱导的气动热问题．这些研究方向与高温气体效应和强激波密切相关,对高超声速科技关键技术的突破起着重要作用．     

氢氧燃烧及爆轰驱动激波管

分析并观察了沿驱动段轴向分布多火塞燃烧驱动段的性能．提出主膜处同一管截面均匀分布三火花塞引燃的点火方法．用这种点火方法驱动产生的入射激波强度重复性较高,激波后气流速度、温度和压力的定常性亦大大改善,可满足气动试验实际要求．提出在驱动段尾端串接卸爆段来消除爆轰波反射高压,从而可使反向爆轰驱动段用来产生高焓高密度试验气流．这种反向爆轰驱动产生的入射激波重复性高,激波衰减弱．在主膜处的收缩段产生的反射波可缓解爆轰波后跟随的稀疏波的不利影响,从而使前向爆轰驱动具有实用性．在产生的入射激波强度相同条件下,前向爆轰驱动所需的爆轰驱动段可爆混合气初始压力可较反向爆轰低近一个量级．     

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．     

高温激波管化学非平衡流动数值模拟研究

为了预测氢氧定容燃烧驱动的高温激波管性能,需要准确分析激波管非定常化学非平衡流动过程.本文在破膜前的驱动段定容燃烧以及破膜后的化学非平衡流动数值模拟中,引入双时间步长方法,发展高温激波管化学非平衡流动数值模拟方法,该方法在时间上具有二阶精度.计算结果与目前存在的激波管流动解析解以及零维化学反应系统的数值解进行了比较,吻合较好.对于典型高温激波管状态,采用有限体积方法离散准一维流动Euler控制方程,并通过将流动过程和化学反应动力学过程耦合求解,获得了激波管内部的化学非平衡流动特征.