圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

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.     

气相爆轰波传播过程中的自点火效应

基于基元反应模型和单步反应模型,对直管道中H₂-air混合气体中爆轰波的传播过程进行了数值模拟,揭示了气相爆轰波传播过程中的自点火效应。利用数值模拟方法计算了不同爆轰模型的点火延迟时间,并得到了爆轰波三波点的传播过程以及所形成胞格结构的尺寸。结果表明,胞格宽度与点火延迟时间成正比;爆轰波诱导区内气体的点火延迟时间与三波点的运动周期基本一致。进一步对结果分析可知,爆轰波的自维持传播取决于点火延迟时间(表征化学反应的特征时间)和三波点的运动周期(表征流动的特征时间)的匹配;当二者相匹配时,经过前导激波压缩后形成的高温高压爆轰气体,在短时间内实现了自点火,同时释放出大量的能量推动了爆轰波的前进,即爆轰波的稳定自维持传播依靠其自点火机制。     

主流无载气N_2-氧碘化学激光配气方式的数值优化

针对主流无载气、副流以氮气为载气的氧碘化学激光(COIL),应用求解3维多组分化学反应流方程的数值方法,对流场和物理化学的耦合过程进行细致研究,对副流载气变化带来的问题及性能提升的手段、特别是合理的配气方式进行深入分析。结果表明:传统的在亚声速段进行喷流的配气方式不适用于主流无载气N2-COIL系统,必须采用超声速段射流方式;合理的流量配比条件下,超声速段射流方式COIL光腔位置处增益可达1.5%cm-1;N2-COIL流场边界层厚度明显减小,拓宽了增益的有效分布区域。     

喷管对脉冲爆轰发动机性能的影响

采用热力学循环分析方法, 从理论上推导了脉冲爆轰发动机(pulse detonationengine, PDE)不完全膨胀条件下的热效率公式, 并定量考察了不同燃烧室初始温度下热循环效率随出口压力比的变化, 研究表明气体膨胀越完全, 工质的热循环效率越高. 应用数值模拟方法分别研究了收缩-扩张喷管和扩张喷管, 比较了它们对PDE推力和比冲的影响, 考察了它们在PDE各个循环阶段的作用. 此外, 还分析了收缩-扩张喷管收缩段引起的反射激波的影响, 理论上反射激波会降低PDE热循环效率和比冲, 但当反射激波马赫数小于1.5时, 对PDE热循环效率的影响很小, 其正面作用占优.      

Analytical Interaction of the Acoustic Wave and Turbulent Flame

A modified resonance model of a weakly turbulent flame in a high-frequency acoustic wave is derived analytically. Under the mechanism of Darrieus-Landau instability, the amplitude of flame wrinkles, which is as functions of the expansion coefficient and the perturbation wave number, increases greatly independent of the stationary＇ turbulence. The high perturbation wave number makes the resonance easier to be triggered but weakened with respect to the extra acoustic wave. In a closed burning chamber with the acoustic wave induced by the flame itself, the high perturbation wave number is to restrain the resonance for a realistic flame.     

无缓冲气COIL扩压器流场数值模拟

 以无缓冲气化学氧碘激光器(COIL)实验器件的数据计算得到的混合喷管出口参数平均值作为光腔入口条件，对6种不同构型的扩压器从光腔入口至扩压器出口的流场进行了数值模拟，得出了各流场参数分布；对不同构型扩压器的流场特点、总压恢复性能进行了分析；研究了扩压器出口背压对流场参数的影响。结果表明：对于主流无缓冲气的COIL，等截面扩压器具有较好的压力恢复性能；增大扩压器出口背压可以使扩压器的压力恢复性能提高，然而，较高的背压使激波串向光腔方向移动，从而使光腔流场受到干扰，影响光腔的光束质量。     

关于RNG代数湍流模式的研究

研究了ＲＮＧ代数湍流模型，提出的涡黏性方程根的识别方法对涡黏性的选择给予了合理的物理意义，它减少了模型使用中的经验性，缩短了计算时间。另外关于用外部涡函数的双峰平均法来确定分离区附近边界层的厚度也是有意义的，它继承了ＢａｌｄｗｉｎＬｏｍａｘ代数模型的长处，改进了其不足，可用于分离流动的工程计算．     

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明，标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波，爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构；爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点，而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动；可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响，但是初始温度的影响大得多。     

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．