高超声速进气道飞行器一体化设计技术的发展

对高超声速进气道与飞行器一体化设计技术和发展进行了研究,包含轴对称压缩、二维压缩、侧压以及内压缩进气道在高超声速飞行器上的典型布局设计方案.对高超声速可调进气道类型进行了概述,基于轴对称类型调节、二元平面类型调节以及三维内转调节进气道的典型案例给出了其各自的设计特点,并进一步对宽域飞行和组合动力飞行器采用的多通道可调节高超声速进气道研究进展进行了简述,最后分析了高超声速进气道设计须面对和解决的技术难题.      

跨音速进气道内外流场的一种镶嵌数值解法

提出了一种计算跨音速进气道内外流场的方法,它把求解小扰动势流方程的混合差分法以及求解欧拉方程的时间相关扫描有限元素法结合起来使用。利用有限差分法先对整个流场做计算。然后,在求解域內的局部地区镶嵌使用扫描有限元素法以改善当地流场的参数。计算了来流马赫数为1.14与1.22的皮托管式和带中心锥式的两种轴对称进气道流场,获得了与实验相一致的结果。     

热化学模型对高超声速磁流体控制数值模拟影响分析

针对等离子体流场的模拟准确性问题及其对高超声速磁流体控制的影响,通过数值求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立了三维低磁雷诺数磁流体数值模拟方法及程序,分析了不同空气组分化学反应模型和壁面有限催化效率等因素对高超声速磁流体控制的影响.研究表明:不同空气组分化学反应模型对高超声速磁流体流场结构、气动力/热特性控制的影响不容忽视;对于本文计算条件,Park化学反应模型在组分模型一致性、等离子体模拟准确性等方面具有一定优势;磁控热防护效果,受壁面有限催化复合系数影响较大,两者呈非线性关系,不同表面区域差异较大;磁场对磁阻力伞及其磁阻力特性影响,受壁面催化效应的影响相对较小.     

吸气式高超声速飞行器气动力气动热的数值模拟方法及应用

对吸气式高超声速飞行器而言,物面热流和摩阻的准确预测对飞行器设计及安全十分关键.介绍采用CFD准确预测气动力和气动热的方法,包括流动的控制方程、湍流模型及湍流的先进壁面函数边界条件,介绍流动的数值求解方法.对典型超声速层流和湍流流动的摩擦阻力和热流进行详细的验证与确认,考察CFD工具在使用先进壁面函数边界条件后,湍流计算的法向网格无关性能力.对设计的一种吸气式高超声速飞行器的气动力和气动热进行数值模拟,为飞行器的气动设计及热防护提供了可靠的数据.     

气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明:激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。     

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件.本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得...     

进口条件对超燃冲压发动机氢气燃烧流场特性的影响分析

对不同进口条件下的超燃冲压发动机燃烧室内氢气喷流超声速燃烧流动特性进行了数值模拟与分析.宽范围超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器推进系统设计中的热点问题之一,受实验设备硬件条件及实验技术限制,数值模拟技术仍然是超燃冲压发动机燃烧室内燃气燃烧特性及流场特性的主要研究手段.采用基于混合网格技术的多组元N-S方程有限体积方法求解器,在不同进口Mach数及压强条件下,对带楔板/凹腔结构的燃烧室模型氢气喷流燃烧流场进行了数值模拟,对比分析了氢气喷流穿透深度、喷口前后回流区结构、掺混效率及燃烧效率等流场结构与典型流场参数的变化特性及影响规律.研究成果可为宽范围超燃冲压发动机喷流燃烧流动特性分析提供参考.      

二维流场、热结构松耦合模拟研究

本文针对轴对称型飞行器前缘部位,采用松耦合方法,开展了二维高超声速流固界面的热耦合计算。满足非稳态N-S方程的外部流场和内部非稳态热传导均采用商用软件FLUENT进行计算。通过对相同时刻,不同松耦合推进时间步长引起的壁面热流密度、壁面温度、表面传热系数的差异对比,得出了松耦合推进时间对以上参数的影响规律,这对有效实施松耦合方法进行高超声速飞行器模拟具有积极意义。     

局域能量注入对高超声速进气道流动影响研究

研究了局域能量脉冲注入条件下高超声速进气道流场的扰动情况。数值模拟采用三维雷诺平均N-S方程,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解,采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟。开展了高超风洞平板流场能量注入实验,获取了高速纹影图像,并对实验结果与计算结果进行比较。研究表明,能量注入产生的冲击波能与高超流动产生的斜激波发生强烈干扰,脉冲能量的引入可能引起高超声速进气道流量俘获率产生剧烈震荡,从而导致进气道流场的性能急剧下降。     

耦合辐射的三维热化学非平衡流数值模拟

发展耦合辐射的三维热化学非平衡流场计算方法,可用于非结构网格.采用Jameson有限体积法求解耦合辐射源项的三维N-S方程.辐射源项通过求解辐射输运方程(Radiative Transport Equation RTE)获得.在空间方向上离散后,采用有限体积法求解辐射输运方程.化学模型包含11个组元,20个化学反应.采用该数值方法计算MUSES-C模型在速度为11.6 km·s^-1时的绕流流场及前驻点处的辐射热流密度.并通过对比,分析热辐射对流场的影响.     

Investigation on the flameholding mechanisms in supersonic flows: backward-facing step and cavity flameholder

Abstract  

As effective devices to extend the fuel residence time in supersonic flow and prolong the duration time for hypersonic vehicles cruising in the near-space with power, the backward-facing step and the cavity are widely employed in hypersonic airbreathing propulsive systems as flameholders. The two-dimensional coupled implicit RANS equations, the standard k-ε turbulence model, and the finite-rate/eddy-dissipation reaction model have been used to generate the flow field structures in the scramjet combustors with the backward-facing step and the cavity flameholders. The flameholding mechanism in the combustor has been investigated by comparing the flow field in the corner region of the backward-facing step with that around the cavity flameholder. The obtained results show that the numerical simulation results are in good agreement with the experimental data, and the different grid scales make only a slight difference to the numerical results. The vortices formed in the corner region of the backward-facing step, in the cavity and upstream of the fuel injector make a large difference to the enhancement of the mixing between the fuel and the free airstream, and they can prolong the residence time of the mixture and improve the combustion efficiency in the supersonic flow. The size of the recirculation zone in the scramjet combustor partially depends on the distance between the injection and the leading edge of the cavity. Further, the shock waves in the scramjet combustor with the cavity flameholder are much stronger than those that occur in the scramjet combustor with the backward-facing step, and this causes a large increase in the static pressure along the walls of the combustor.     

Effect of cavity location on combustion flow field of integrated hypersonic vehicle in near space

Abstract  

The cavity has been widely employed as the flame holder to prolong the residence time of fuel in supersonic flows since it improves the combustion efficiency in the scramjet combustor, and also imposes additional drag on the engine. In this paper, the two-dimensional coupled implicit Reynolds Average Navier–Stokes equations, the RNG k–ε turbulence model and the finite-rate/eddy-dissipation reaction model have been employed to numerically simulate the combustion flow field of an integrated hypersonic vehicle. The effect of cavity location on the combustion flow field of the vehicle has been investigated, and the fuel, namely hydrogen, was injected upstream of the cavity on the walls of the first stage combustor. The obtained results show that the viscous lift force, drag force and pitching moment of the vehicle are nearly unchanged by varying the cavity location over the location range and designs considered in this article, namely the configurations with single cavity, double cavities in tandem and double cavities in parallel. The variation of the fuel injection strategy affects the separation of the boundary layer, and the viscous effect on the drag force of the vehicle is remarkable, but the viscous effects on the lift force and the pitching moment are both small and they can be neglected in the design process of hypersonic vehicles. In addition to varying the location of the cavities, three fuel injection configurations were considered. It was found that one particular case can restrict the inlet unstart for the scramjet engine.     

内外流一体化飞行器动导数数值预测

研究内外流一体化飞行器通流模型和带整流罩模型，考核强迫振荡法和自激振荡法在内外流一体化飞行器上的适用性，详细分析时间步长、振荡频率等参数对动导数的影响.研究发现，强迫振荡法在内外流一体化飞行器动导数预测中具有较好的适用性，但与常规的纯外流飞行器相比，时间步长的选取、计算时间及振荡频率等参数的选择都有较大不同.对常规的纯外流飞行器，自由振荡法的预测结果与强迫振荡法符合较好，但对内外流一体化飞行器外形，两者相差50%以上，差异的来源及产生的机理尚需开展深入的研究.     

环形HYLTE喷管耦合段及光腔区流场的数值模拟

参考传热学相关理论,估算燃烧室的传热损耗分数及相应的平衡温度,确定了主喷管的入口参数设置。在此基础上,对环形HYLTE喷管的耦合段及光腔区流场进行3维的数值模拟,给出了F原子质量分数、静温、静压的空间分布,得到了光腔区各支谱线的小信号增益系数变化曲线。将计算结果与实验结果进行比对,光谱测量结果及移动光轴实验证实了计算模型的合理性。     

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

涡轮-冲压组合发动机模态过渡段性能模拟和概念探讨

１概述涡轮－冲压组合发动机是可望用于天地往返运输系统和高超声速民航运输的吸气式发动机。在地面起飞和低速飞行阶段以涡轮发动机模态工作,在高空高速阶段以冲压发动机模态工作．涡轮模态和冲压模态的相互转换过程称为模态过渡段。在过渡段中两种发动机共同工作以联合循环方式运行。组合发动机以联合循环方式工作的性能,不仅与组成它的涡轮发动机和冲压发动机本身的型式和特征有关,而且受到两类发动机相互关系以及调节机构的影响。所以,涡轮冲压组合发动机模态过渡段稳态和瞬态过程的研究,是组合发动机性能研究的重要组成部分［１－…     

环形燃烧室性能计算

本文在任意曲线坐标下对包括扩压器和火焰筒在内的环形燃烧室三维两相反应流进行了数值模拟,燃烧室性能是采用多维经验分析法估算所用的数学模型有k-ε紊流模型,EBU-Arrhenius紊流燃烧室模型,六通量热辐射模型以及颗粒群轨道模型。在非交错网格体系下,气相采用SIMPLE算法和液体采用PSIC算法求解,通过两种工况和三种扩压器进口速度分布计算表明,所得的流场各气流参数分布和燃烧室性能较合理,本文所建立的程序可为燃烧室优化设计和研究提供有用数据。     

基于丝线流动显示技术的内转进气道起动性能实验

采用丝线法流动显示技术,在高超声速冷流暂冲式下吹风洞开展了快速获取内转进气道起动性能的实验研究。实验在中国空气动力研究与发展中心（CARDC）Φ0.5 m高超声速风洞中进行,来流Mach数为5。实验模型为椭圆转圆形内转进气道,总收缩比为5.8,内部收缩比为1.7,喉部为直径50 mm的圆形截面。模型的肩部区域种植了长度与间隔可更换的丝线,为了改善进气道的起动性能,模型进气道的内压缩段开设了可以动态堵塞的泄流孔,在喉道下游设置了可动态节流的节流锥。实验获得了丝线长度、相邻丝线间隔的推荐值,同时表明,丝线流动显示技术能够快速、准确、直观、方便地判断进气道的起动状态,并能定量给出流动分离起始位置与分离结构,所采用的丝线流动显示技术丰富了高超声速风洞实验的流场可视化方法库。研究还表明,采用丝线流动显示技术,所研究的内转进气道在Ma＝5时处于双解区,实验给出了进气道重起动及退出不起动的一种可行方案。      

Investigations of three-dimensional flow characteristics in a liquid ramjet combustor using the PIV method

Three-dimensional flow characteristics in a liquid fuel ramjet combustor were investigated using the PIV method. The combustor had two rectangular inlets that form a 90-degree angle with each other, with intake angles of 30 degrees. Three guide vanes were installed in each rectangular inlet to improve flow stability. The experiments were performed in a water tunnel test with the same Reynolds number as Mach 0.3 at the inlet. PIV software was developed to measure the characteristics of the flow field in the combustor. Accuracy of the developed PIV program was verified with a rotating disk experiment and standard data. The experimental results showed that the two main streams from the rectangular intakes collided near the plane of symmetry and generated two large longitudinal vortices, which was in agreement with three dimensional computational results. A large and complex threedimensional recirculating flow was measured behind the intakes.