湿空气非平衡凝结对压气机叶栅性能影响的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热与跨音速气流耦合会显著改变流场结构。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对三种工况下压气机叶栅内湿空气凝结流动进行计算分析。计算结果表明:湿空气压气机叶栅流动中,湿空气中水蒸气有可能发生非平衡凝结从而对叶栅通道内的流动产生强烈影响,改变流场内的激波结构,叶栅内压力系数减小最大幅度由1.38减小到0.76。     

跨音速湿空气非平衡凝结流动的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热对跨音速气流进行加热,会显著改变气流的流动特性。通过对商用计算流体动力学软件FLUENT进行二次开发,建立了湿空气非平衡凝结流动的数值求解方法。该方法可用于二维或三维、粘性或无粘、内流或外流的求解中。采用该方法分剐对缩放喷管、透平叶栅以及绕CA-0.1圆弧翼型的湿空气非平衡凝结流动进行了数值分析。计算结果表明：湿空气凝结手l起缩放喷管中的凝结激波、导致叶橱流动中总压降低;对于翼型周围的流动,在相对湿度分别为50％、57．1％、64.1％时,依次计算得到了单激波、五激波、双激波。     

高超声速三维热化学非平衡流场的数值模拟

对三维高超声速热化学非平衡流场进行数值模拟,采用双温度热化学非平衡、11组元空气模型,考虑振动-离解耦合．差分格式采用沈清博士提出的“迎风型NND”格式,用熵修正方法消除了高超声速流数值模拟中的“carbuncle现象”．与LU-SGS方法结合,提高了单步计算效率和收敛性．数值模拟结果与文献结果进行了对比,并在弹道靶中进行了钢质圆球的弓形激波位置实验验证．计算结果与文献、实验的对比说明,三维热化学非平衡流计算程序可以精确地捕捉到强弓形激波,得到合理的空气动力系数．     

高超声速非平衡流动-辐射特性数值模拟研究

飞行器高超声速飞行过程中所承受对流加热和辐射加热可能具有相当的量级,因此合理准确预测气动加热需要将二者进行综合考虑.文章发展了具有非玻尔兹曼电子能级分布和振动能级分布的高温空气碰撞辐射模型,并耦合一维激波后流动方程计算不同飞行条件下激波后的非平衡流动特性,采用逐线辐射输运模型计算获得激波后非平衡辐射特性、辐射强度和辐射输运通量,深入比较分析了不同飞行高度和马赫数对非平衡流动和辐射输运过程的影响.计算结果表明对于高空高马赫飞行条件,其波后流动存在显著的热力学非平衡、化学非平衡和能级非平衡特征,在近激波区域高振动能级和原子高束缚电子激发态明显低于玻尔兹曼分布.在高空高马赫条件下真空紫外辐射占据主导地位,主要是由高能原子束缚-束缚跃迁造成的.随着高度和马赫数的下降,激波层内气体解离和电离程度降低,原子辐射贡献下降,分子辐射贡献增加,导致红外、可见光和紫外波段的辐射输运增强,真空紫外辐射输运过程减弱.     

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.     

HLLE++格式在高马赫数空腔流动模拟中的应用

空腔流动存在剪切层运动、涡脱落与破裂,以及激波与激波、激波与剪切层、激波与膨胀波和激波/涡/剪切层相互干扰等现象,流动非常复杂,特别是高马赫数(M>2)时,剪切层和激波更强,激波与激波干扰更严重,对数值格式的要求更高,既需要格式耗散小,对分离涡等有很高的模拟精度,又需要格式在激波附近具有较大的耗散,可以很好地捕捉激波,防止非物理解的出现。Roe和HLLC等近似Riemann解格式在高马赫数强激波处可能会出现红玉现象,而HLLE++格式大大改善了这种缺陷,在捕捉高超声速激波时避免了红玉现象的发生,同时还保持在光滑区域的低数值耗散特性。本文在结构网格下HLLE++格式的基础上,通过改进激波探测的求解,建立了基于非结构混合网格的HLLE++计算方法,通过无粘斜坡算例,验证了HLLE++格式模拟高马赫数流动的能力,并应用于高马赫数空腔流动的数值模拟,开展了网格和湍流模型影响研究,验证了方法模拟高马赫数空腔流动的可靠性和有效性。     

翼型、机翼非定常运动模式下动态数值模拟

基于RANS方程,通过刚性动网格技术实现对翼型和机翼典型运动模式的描述,采用双时间推进方法和Roe空间离散格式对流场求解,构建了一个非定常气动计算平台;以NACA0012翼型为算倒进行了动态数值模拟可信度验证。数值模拟结果与试验数据吻合较好,升力和俯仰力矩的最大计算误差分别为3％和10％,表明了该平台的可靠性。另外,还数值模拟了M6机翼的动态非定常流场,并分析了两种湍流模型对非定常流场激波的捕捉能力。结果表明非定常流动中S-A湍流模型对激波的捕捉较B-L模型更敏感。文中开发的非定常计算平台对进一步解决三维复杂流场的流动问题有很高的工程应用价值。     

爆轰波通过扩张喷管的双曝光全息实验和数值研究

结合实验和数值模拟方法,对以脉冲爆轰发动机为背景的爆轰波通过扩张喷管的流动进行了系列研究。实验采用双曝光全息干涉方法对爆轰波绕射流场进行测量,得到了比传统的纹影法更清晰和可定量化的照片。发展了基于非结构四边形网格自适应有限体积程序,结合基元化学反应模型对扩张喷管中爆轰化学反应流场进行了数值模拟,模拟结果与实验照片吻合较好。实验和数值模拟结果表明,爆轰波绕射具有许多和激波绕射不同的流场特征,其中包括二次起爆现象、化学反应面与前导激波相脱离而引起的复杂流场等,同时初始压力和扩张角度变化也对爆轰波绕射过程产生较大影响,初始压力越低,化学反应区和前导激波分离现象越明显,且前导激波的曲率越大。     

基于TDLAS的水蒸气非平衡凝结过程研究

目前国内开展的高超声速飞行器地面模拟试验,尤其是较大尺度的高焓试验,大部分在燃烧加热风洞中进行。气流在喷管的膨胀加速过程中温度快速降低,可能导致其中的水蒸气发生急剧凝结,这一过程会带来试验流场参数的改变。为了考察水蒸气的凝结过程,提出"空间转化为时间"思想,即将喷管中气流参数沿喷管流向的变化转换为膨胀过程中固定位置气流参数随时间的变化,设计搭建了一套模拟喷管凝结过程的试验装置,通过调节连接段最小截面积实现不同的时间尺度,采用片光技术实现凝结现象的观测,同时根据水蒸气和甲烷吸收光谱获得凝结过程中的温度变化以及水蒸气含量变化。结果表明:在试验段内通过片光可以观测到水蒸气的凝结现象;不同时间尺度下凝结过程中的温度变化趋势相近,均为先下降后上升,在温度趋势发生变化的时间点附近,水蒸气摩尔分数迅速下降,这一变化趋势与燃烧加热风洞喷管流动中参数变化的数值模拟结果具有较好的一致性;这种"空间转化为时间"的试验方案可以在一定程度上模拟喷管中水蒸气的凝结过程。     

基于非结构网格的TTGC有限元格式的实现及在超声速流动中的应用

基于非结构网格系统,实现了时空三阶精度的TTGC有限元格式,并在三阶TTGC格式上发展了基于人工粘性的激波捕捉技术。在非结构网格下,采用这种方法对若干典型的超声速流动问题(SOD激波管、马赫数为3的前台阶流动以及马赫数为8的高超声速圆柱流动)进行了验证计算。结果表明,TTGC格式分辨率高,在粗糙网格下能够准确的模拟超声速流场中的激波、接触间断等复杂流动现象,并且能有效的控制间断附近的数值色散现象。与传统的有限体积方法相比,本文实现的TTGC有限元格式在模拟超声速流动问题方面具有格式精度高、数值耗散小等优点。     

k-ω SST湍流模式三维激波分离流动修正

“激波?边界层分离”是航空气动领域的典型湍流非平衡流动问题, 准确模拟激波分离对于跨声速飞行器气动性能评估和优化设计具有重要意义. 然而传统涡黏性湍流模式中涡黏性系数的定义方式并不适用于非平衡流动, k-ω SST湍流模式为此引入的Bradshaw假设在应用于三维强逆压梯度和较大分离流动时反而限制了雷诺应力的生成, 导致包括k-ω SST在内的常用涡黏性湍流模式均无法对此类流动进行准确模拟. 同时, 现有的非线性雷诺应力本构关系也并不能有效提高模拟精度. 为此, 针对k-ω SST模式分别提出了基于Bradshaw假设和基于长度尺度的两种激波分离流动修正方法. 前者通过提高Bradshaw常数的方式放宽了对雷诺应力生成的限制, 后者则从湍流长度尺度概念出发, 利用混合长度理论、湍动能生成/耗散之比和一种新定义的长度尺度之比构造了ω方程耗散项修正函数, 提高了模式在三维激波分离流动中的建模长度尺度. 两种方法对ONERA M6机翼跨声速大攻角流动均能得到较雷诺应力模式更好的模拟结果. 进一步的雷诺应力分析表明, 三维激波分离流动中“主雷诺应力分量”的概念不再成立, 各雷诺应力分量大小接近. 网格收敛性分析、对其他攻角状态的验证以及湍流平板边界层壁面律验证进一步确认了所提出的两种修正方法的合理性、有效性和通用性.      

高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.      

高超声速流动中液滴蒸发对流动参数的影响研究

采用带有非平衡相变模型的数值方法对高超声速流动中液滴蒸发的影响进行了研究,重点探讨了液滴蒸发对斜激波下游区域流场和劈面参数的影响。研究结果表明:液滴在激波后区域的蒸发存在弛豫现象,蒸发弛豫过程与激波强度相关,并影响模型表面气动参数的均匀性;当偏转角从3°增大至16°时,研究发现特别是偏转角为10°时,激波强度刚好能使液滴在整个激波下游区域完全蒸发,此时蒸发引起的流场参数不均性影响最大,与不考虑蒸发时相比,液滴质量含量、压强、静温减小幅度分别达到27.2g/kg、401Pa、54K,该三项参数变化量的比分别达到96.8%、4.8%、14.2%。     

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.      

高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.     

激波与堆积粉尘相互作用的数值模拟

基于双流体模型和测定的堆积粉尘的本构方程 ,利用AUSM+ 格式 ,对激波与堆积粉尘的相互作用进行了数值模拟。计算所反映的流场结构与实验图像一致。此外还对激波强度 ,颗粒材料密度等对流场的影响进行了讨论。     

可压缩气固混合层中离散相与连续相的相互作用研究

尽管已有许多文献采用数值模拟方法研究两相流问题,但主要是集中不可压流动方面.本文采用Eul-er-Lagrange颗粒-轨道双向耦合模型对时间模式下含有固粒的二维可压缩混合层流动进行了研究.气相流场采用非定常全Navier-Stokes方程描述,并应用具有空间三阶精度的WNND(Weighted Non-Oscillatory, Contai-ning No Free Parameters and Dissipative)格式进行数值高散.固相方程采用二阶单边三点差分离散.在考虑流场对固粒作用的同时,也计及颗粒对流场的反作用.主要研究混合层大尺度涡对颗粒扩散特性的影响及颗粒对流场结构的影响问题.在对流马赫数为0.5时,研究不同Stokes数颗粒在连续流场中的扩散特性,而在对流马赫数为0.8时研究了不同Stokes数颗粒对流场小激波结构的影响.     

大气飞行条件凝结放热对机翼升阻特性影响

跨音速流动下,大气中水蒸气发生的非平衡凝结对机翼的升阻特性影响显著。本文对大气飞行条件下,绕ONERA M6机翼非平衡凝结流动进行研究。对攻角分别为1.07°、3.06°、6.06°非平衡凝结流动影响机翼周围流场分布进行分析。分析结果表明:与干空气流动相比,攻角为1.07°时,随着相对湿度从30%增加到60%,机翼的升阻比持续减小,相对湿度继续增加到70%,机翼升阻比略有增大,为干空气的21.6%;攻角为3.06°时,随着相对湿度从30%增加到70%,机翼的升阻比持续减小,相对湿度70%时,升阻比为干空气的41.5%;攻角为6.06°时,随着相对湿度从30%增加到70%,机翼的升阻比持续减小,相对湿度70%时,升阻比为干空气的64.3%。     

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以某跨声速轴流压气机单转子为研究对象,应用数值模拟技术,采用全通道 计算方案,利用Jameson有限体积中心差分格式并结合Spalart-Allmaras 湍流模型获得进口畸变条件下该轴流压气机转子性能和内部流动细节,详细分析了进气周向 总压畸变对压气机转子内流场流动结构的影响. 并将计算结果与实验结果进行了比较, 结果表明,数值模拟的结果与实验结果符合较好,计算方案切实可行.     

高温非平衡流动中的氧分子振动态精细分析

高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim 高超声速流动在头激波压缩后常处于高 温条件下的热化学非平衡状态. 本文采用态-态方法和双温度模型计算分析了一维正激波后和高超声速钝体绕流驻点线上的氧气热化学非平衡流动. 态-态方法将氧气的每个振动能级当成独立的组分,通过耦合 Euler 方程或驻点线上的降维 Navier-Stokes 方程,数值求解得 到了高温流动中的精细热化学非平衡状态. 而双温度模型假设氧气的振动能级服从 Boltzmann 分布,通过求解振动能方程得到振动温度. 一维正激波后热化学松弛过程的计算结果表明,态-态计算预测的温度分布和氧原子浓度分布较好地吻合了文 献中的实验结果,而经典的双温度模型的预测结果误差较大,且不同双温度模型的计算结果比较发散. 态-态方法详细地给出了所有振动能级的变化过程. 无论是正激波还是脱体激波后的流场,都是高振动能级首先得到激发;但是数密度大的低振动能级先达到热平衡,而高能级 分子要经过很长距离后才能达到热平衡. 在驻点附近,复合反应生成的氧气分子处于高振动能级,导致高振动能级分子数密度显著高于平衡分布. 计算还发现,经典双温度模型的离解反应速率明显偏离态-态计算结果,无法准确体现振动离解耦合效应对离解反应 速率的影响,但是 Park 双温度模型将离解失去的振动能取为 0.3$\sim $0.5 倍分子离解能是比较合理的.