激波与转捩边界层干扰非定常特性数值分析

激波与边界层干扰的非定常问题是高速飞行器气动设计中基础研究内容之一.以往研究主要针对层流和湍流干扰,在分离激波低频振荡及其内在机理方面存在着上游机制和下游机制两类截然不同的理论解释.分析激波与转捩边界层干扰下非定常运动现象有助于进一步加深理解边界层状态以及分离泡结构对低频振荡特性的影响规律,为揭示其产生机理指出新的方向.采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9,24?压缩拐角内激波与转捩边界层干扰下激波的非定常运动特性进行了数值分析.通过在拐角上游平板特定的流向位置添加吹吸扰动激发流动转捩,使得进入拐角的边界层处于转捩初期阶段.在验证了计算程序可靠性的基础上,详细分析了转捩干扰下激波运动的间歇性和振荡特征,着重研究了分离泡展向三维结构对激波振荡特性的影响规律,最后还初步探索了转捩干扰下激波低频振荡产生的物理机制.研究结果表明:分离激波的非定常运动仍存在强间歇性和低频振荡特征,其时间尺度约为上游无干扰区内脉动信号特征尺度的10倍量级;分离泡展向三维结构不会对分离激波的低频振荡特征产生实质影响.依据瞬态脉动流场的低通滤波结果,转捩干扰下激波低频振荡的诱因来源于拐角干扰区下游,与流场中分离泡的收缩/膨胀运动存在一定的关联.     

高超声速湍流边界层研究现状

一、高超声速湍流边界层研究的重要性随着再入导弹武器从惯性弹道导弹发展到可作机动飞行的多弹头分导弹道导弹,以及航天飞机的出现,高超声速再入飞行器的气动外形变得更复杂了。由于出现了多个激波的相互干扰,激波与边界层的相互影响,以及边界层的分离(入射激波和后台阶产生      

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。     

转捩位置对全动舵面热气动弹性的影响

高超声速附面层的转捩预测一直是流体力学研究中的难点,转捩前后物面的摩擦系数和传热系数会发生改变,转捩位置的不同会影响到飞行器表面热环境,进而使得飞行器的气动弹性特性发生显著变化.鉴于高超声速附面层转捩预测的不确定性,本文分析了转捩位置对高超声速全动舵面热气动弹性的影响.首先分别用层流模型和湍流模型求解N-S方程,得到气动热环境,并对气动热进行参数化;然后在不同转捩位置情况下构造出不同转捩位置的热分布模型,基于此种温度分布,结合热应力和材料属性的影响分析结构的热模态,将结构模态插值到气动网格上,采用基于CFD的当地流活塞理论进行气动弹性分析.以M=6,H=15 km的某舵面为对象进行计算,结果表明:(1)随着转捩位置向后缘移动,结构频率上升,结构颤振速度呈增大趋势,转捩位置的变化能够带来颤振临界速度最大6%的变化量;(2)当转捩位置位于舵轴附近时,结构的颤振特性变化剧烈.通过刚度特性的分解和分析发现,导致颤振特性变化的主要因素在于舵轴的刚度特性变化,舵轴的影响量占整个结构刚度特性变化量的80%以上.     

变高度圆柱诱导的激波边界层干扰

采用分区方法及Ｒｏｅ三阶流通量差分分裂格式求解雷诺平均Ｎ－Ｓ方程,湍流附加黏性系数用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型计算,数值模拟了高超声速条件下变高度圆柱诱导的激波边界层层干扰,其流场的主要特性均与实验结果一致或规律相同,结果清晰地展示了流场结构以及气动载荷分布随柱高度的变化特征,产说明激波碰撞和旋涡运动都可能导致飞行器表面局部气动载荷的增加。     

在超声速流动中激波与边界层的干扰特性

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

INTERFERENCE OF SHOCK AND BOUNDARY LAYER IN SUPERSONIC FLOW

激波与物面边界层的干扰涉及可压缩流动的稳定性、转捩、分离等问题,直接影响到飞行器的阻力、表面热防护和飞行性能等工程技术问题。首先总结了前人对于激波与边界层的干扰所做的工作,之后重点研究和对比分析了超声速与跨声速流动中,正激波、斜激波以及头部激波对于飞行器层流和湍流边界层的干扰影响。激波强度的不同对边界层干扰作用不同,在强干扰情况下将会引起边界层分离和翼型失速。     

金属结构航天器陨落过程三维瞬态传热有限元算法研究

构建金属桁架结构航天器陨落再入气动热环境有限元传热模型，是准确预测在轨服役期满大型航天器陨落再入解体过程温度分布的关键。本文采用四节点四面体单元对空间进行离散，依据泛函理论，将传热控制方程离散为代数方程组；利用有限单元法总体合成得到具有对称正定、高度稀疏和非0元素分布的规则性刚度矩阵，发展一维变带宽压缩存贮技术，有效解决大型稀疏矩阵的数据存贮问题；为有效抑制求解过程出现的温度在时间和空间上的振荡问题，发展集中热容矩阵系数处理方法，将热容矩阵的同行或同列元素相加代替对角线元素，使非对角线元素化为0，构造求解三维瞬态温度场的两点向后差分格式、Crank-Nicolson格式和Galerkin格式。通过对正方体瞬态传热计算验证分析，在相同条件下，采用以上三种格式均可获得一致稳定的温度解，并得到与现有ANSYS有限元软件较为吻合的计算结果，验证了所建立三维瞬态传热有限元计算模型的准确可靠性。在此基础上，对铝合金低轨航天器薄壳结构进行了传热计算，给出了类天宫飞行器两舱体陨落飞行107.5 km~90 km不同高度的瞬态温度分布，为这类寿命末期航天器陨落再入解体预报提供理论支撑与可计算模型。     

细长锥边界层绊线转捩风洞自由飞试验

通过在半锥角θ_c=10°细长锥面上布置一定数量的人工绊线,促使细长锥表面边界层在相应轴向位置上发生层流向湍流转变的固定转捩,采用运动自由度不受约束的风洞自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速细长锥再入体无控自由飞行下的运动特性和气动特性影响规律,并与以往无人工绊线的细长锥风洞自由飞试验结果作对比.试验马赫数Ma=5.0,通过改变风洞前室总压P_0实现两个雷诺数的模拟,以模型长为特征尺寸自由流雷诺数分别为0.84×10~6和1.68×10~6.结果表明:当自由流雷诺数Re=0.84×10~6时,人工绊线尚不足以促使边界层发生转捩,有绊线的细长锥气动特性与无绊线基本一致,动稳定导数大于零;当自由流雷诺数Re=1.68×10~6时,人工绊线促使边界层发生固定转捩,细长锥的动稳定导数小于零,细长锥自由飞行动稳定.     

基于迭代学习干扰观测器的 RLV 容错控制方法

针对重复使用运载器（RLV）等类飞行器再入飞行段存在综合干扰问题,提出了一种基于迭代学习干扰观测器的容错控制方法。首先,根据RLV再入段运动、动力学特性及执行机构故障类型,建立带有执行机构故障的RLV面向控制模型;然后设计了一种基于S型函数的迭代学习观测器的容错控制方法,采用迭代学习干扰观测器完成对综合干扰观测并进行补偿,通过李雅普诺夫定理证明基于干扰观测器设计的改进的自适应控制器能够在有限时间收敛稳定;最后以某型RLV再入段为研究对象进行数值仿真。仿真结果表明,所提出的方法在系统中存在加性、乘性故障时,姿态跟踪能够在3 s内收敛,同时姿态稳态误差在0.01°以内。     

Viscous hypersonic flows for various aerophysical models

The results of mathematical simulation of hypersonic air flow past a sphere with allowance for chemical nonequilibrium and ionization are presented. The calculated data are obtained on the basis of a numerical solution of the Navier-Stokes equations and the hypersonic viscous shock layer equations. The equilibrium radiation temperature of the body surface, the pressure, and the shock wave detachment are compared for these models. The combined effect of molecular transport and the catalytic properties of the body surface on the aerodynamic heating is analyzed. The results of the effect of certain models of the thermochemical disequilibrium of the gas on the temperature of the body surface are also analyzed along a heat-stressed interval of the reentry trajectory of an aerospace vehicle.Moscow. Translated from Izvestiya Rossiiskoi Akademii Nauk, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 4, pp. 151–161, July–August, 1996.     

非结构混合网格在气动热标模模拟中的应用

非结构混合网格消除了结构网格节点的结构性限制,可以较好地处理边界,同时兼顾了粘性边界层模拟的需求,具有灵活性大、对复杂外形适应能力强和生成耗时短等优点,在飞行器气动特性模拟中得到广泛应用.本文针对非结构混合网格的特点,把前期针对非结构混合网格气动力高精度模拟发展改进的梯度计算方法和Roe格式熵修正方法推广应用到气动热流的数值模拟.以典型钝锥标模外形的高超声速绕流为研究对象,开展了不同网格形式和第一层网格不同间距的影响研究.结果 表明,热流计算时,头部物面网格最好采用四边形或四边形交叉剖分得到的三角形网格,物面法向的网格雷诺数取20左右,为热流计算时非结构混合网格的生成提供了指导,同时验证了计算方法的有效性和可靠性.     

多体空气动力学研究进展

多体飞行器普遍存在于航空航天、空天和武器领域中, 主要有以下三大类型: (1) 多个飞行器相互不接触的近距离飞行; (2) 多体飞行器相互接触或组合飞行; (3) 多体飞行器回收或解锁分离过程的相对运动. 多体飞行器在飞行、回收或分离过程中存在相互的流场干扰或作用, 使多体飞行器具有不同于孤立体飞行器的流动物理或特征, 特别是在超声速、高超声速的多体流动中, 多体间存在多重激波反射、衍射以及激波与旋涡、激波与边界层相互干扰或作用, 这些复杂流动能显著地改变多体飞行器的空气动力学特性. 作者引入“多体空气动力学”概念对多体飞行器这一类问题进行概括和总结, 并阐述其基本内涵、应用场景和研究方法/手段及典型多体构型的超声速/高超声速流动结构和特征.      

振动激发对高超声速气动力/热影响

随着飞行马赫数的不断提高,空气的高温气体效应越来越明显,对高超声速飞行器的气动力/热特性产生重要影响.高温气体效应对气动力/热的影响机理复杂,影响参数众多,迄今为止国内外尚未完全研究清楚.发生高温气体效应时,多个非线性物理过程耦合在一起,地面试验和数值模拟无法将这些过程解耦,无法给出关键物理机理.为了解决这一问题,文章提出一种理论分析与数值模拟相结合的两步渐进新方法:先通过牛顿迭代法得到发生振动激发过程的斜激波无黏解;再将该无黏解的结果作为边界条件,求解边界层的黏性解.利用该方法研究了振动激发过程对二维斜劈的气动力/热特性的影响规律.研究结果表明,振动激发过程对斜激波后的温度、密度、马赫数、雷诺数和斜激波角影响较大,而对压力和速度影响较小.斜激波波后的无黏流动与边界层流动是耦合在一起的.发生振动激发后,斜激波波后雷诺数的增大会导致边界层厚度减小,结合多个物理量的变化,如速度增大和温度减小,共同对边界层内的摩擦阻力和气动热产生影响.对比完全气体的结果发现,振动激发使壁面摩阻升高,而使壁面热流降低.分别通过影响激波层和边界层,振动激发对摩阻的影响是弱耦合的,而对热流的影响则是强耦合的.     

适应复杂外形的三维粘性混合网格生成算法

提出一类适应复杂外形的粘性混合网格生成算法。表面网格由前沿推进三角形曲面网格程序获得,边界层布置各向异性的三棱柱体网格,远物面区域采用Delaunay方法生成四面体网格。针对模型的复杂几何特征,综合采用了各种网格处理技术,以保证边界层网格的质量,并避免算法失效问题。网格实例及计算结果表明了本文算法的实用性及和效性。     

Three dimensional shock wave/boundary layer interactions

An investigation into a three-dimensional, curved shock wave interacting with a three-dimensional, curved boundary layer on a slender body is presented. Three different nose profiles mounted on a cylindrical body were tested in a supersonic wind tunnel and numerically simulated by solving the Navier–Stokes equations. The conical and hemispherical nose profiles tested were found to generate shock waves of sufficient strength to separate the boundary layer on the cylinder, while the shock wave generated by the ogival profile did not separate the boundary layer. For the separated flow, separation was found to occur predominantly on the windward side of the cylinder with the lee-side remaining shielded from the direct impact of the incident shock wave. A thickening of the boundary layer on the lee-side of all the profiles was observed, and in the conical and hemispherical cases this leads to the re-formation of the incident shock wave some distance away from the surface of the cylinder. A complex reflection pattern off the shock wave/boundary layer interaction (SWBLI) was also identified for the separated flow cases. For comparative purposes, an inviscid simulation was performed using the hemispherical profile. Significant differences between the viscous and inviscid results were noted including the absence of a boundary layer leading to a simplified shock wave reflection pattern forming. The behaviour of the incident shock wave on the lee-side of the cylinder was also affected with the shock wave amalgamating on the surface of the cylinder instead of away from the surface as per the viscous case. Test data from the wind tunnel identified two separation lines present on the cylindrical surface of the hemispherical SWBLI generator. The pair of lines were not explicitly evident in the original CFD simulations run, but were later identified in a high-resolution simulation.     

Stability of subsonic laminar boundary layer on a flat plate with volume energy supply

Reducing frction drag and delaying the laminar-turbulent transition are topical problems of modern aerodynamics. A series of methods of delaying transition are known: creation of a favorable pressure gradient, boundary layer suction, surface cooling, etc., [1, 2]. Here, the possibility of delaying transition by means of volume heat supply to the boundary layer is considered. For this purpose, a subsonic compressible laminar boundary layer with volume energy supply is subjected to a stability analysis. The nonself-similar flow in the boundary layer is determined by means of a finite-difference marching method. The flow stability characteristics are calculated on the basis of the linear theory in the plane-parallel approximation. It is shown that even on a thermally insulated surface volume energy supply to the flow leads to significant flow stabilization and reduced perturbation growth rates.Translated from Izvestiya Akademii Nauk SSSR, Mekhanika Zhidkosti i Gaza, No. 2, pp. 62–67, March–April, 1988.     

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。     

烧蚀图象研究概述

本文着重介绍了林同骥和他的合作者们在烧蚀图象方面的研究工作,包括再入飞行器、地面实验模型和吉林陨石三部分。他们发现烧蚀图象是受烧蚀表面的边界层雷诺数控制的。研究了两种典型的烧蚀图象:有序熔楔和菱形花纹。得到了再入飞行器和模型的转捩雷诺数。