爆轰驱动高焓激波风洞及其瞬态测试技术的研究与进展

１前言 随着航天、航空技术的发展,气体动力学的研究领域不断地由亚声速流动到超声速流动再向高超声速流动推进．在航天领域,人们早在１９６１年就已经实现了载人和不载人的高超声速飞行．目前正在以太空探测和开发为目的,研究能水平起飞可重复使用的航天飞机．在航空领域,从１９０３年Ｗｒｉｇｈｔ兄弟实现了速度为 ５６ ｋｍ／ｈ的人类首次飞行后,现在已经成功地设计出飞行马赫数为２～３的超声速飞机．目前正在探索研究飞行马赫数为５～１０的高超声速飞机．航天、航空技术的发展是当前国际上高科技发展的重点领域之一．该领域的研…     

斜爆轰的胞格结构及横波传播

针对30楔角的驻定斜爆轰特性,选择在临界爆轰马赫数附近6.8、7.0与7.5等3种不同马赫数 来流状态进行数值分析。在马赫数为6.8、7.0状态下,在斜激波(obliqueshockwave,OSW)、斜爆轰波(obliquedetonationwave, ODW)与爆燃波交汇处形成的三波点后形成一道激波,在楔面上反射,并透过接触间 断面与爆轰波阵面产生的横波相互作用,使得下游流场发生扰动,形成不规则的胞格结构。斜爆轰波阵面产 生的横波呈现上游单向传播与下游双向传播同时并存的现象,对斜爆轰的稳定性产生了影响。     

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.      

非定常激波三维双楔面反射的数值研究

采用基于MUSCL-Hancock插值的有限体积方法, 在非结构自适应网格上求解三维Euler方程, 研究了非定常激波在三维垂直双楔面上的反射现象. 研究结果表明, 由于三维效应的影响, 通过二维非定常激波反射理论预测的三维马赫反射区域范围存在着一定的局限, 在该区域范围内出现了一种非典型的三维突起结构, 即第二类三维马赫干. 另外, 对于不同的激波马赫数和楔面倾角组合, 非定常激波在三维双楔面上会形成具有四波结构的三维马赫反射或具有三波结构的三维规则反射.      

序

激波作为气体动力学最具特色的基本物理现象之一,表现出强间断与非线性的物理特征.激波能够在超/高超速气流内部诱导漩涡,生产复杂的气体物理过程;激波能够诱导热化学反应,构成了高温气体动力学和凝聚态爆轰动力学的学科基础;激波还能够压缩可燃气体和可燃气固两相物质实现其自点火,形成能够以超声速自持传播的燃烧激波|{爆轰波.激波与爆轰物理的相关研究已经有一百多年的历史了,在各种爆炸现象的预防与弱化及其应用与防护方面;在天体物理领域的超新星和恒星的演化乃至宇宙大爆炸理论探索方面;在现代武器技术和医疗技术领域的应用方面发挥了日益重要的作用.特别是近十几年来,随着高超声速和空天飞行器研制的进展,激波与爆轰研究在近空间飞行器的气动布局,先进高超声速推进技术,高焓气体流动的气动力/热问题研究方面得到了广泛的重视和深入的探索.      

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.      

高超声速溢流冷却实验研究

高超声速溢流冷却是一种新型的飞行器热防护方法,基本思想为:在高热流区布置溢流孔,控制冷却液以溢流方式流出,之后通过飞行器表面摩阻作用展布为液膜,形成热缓冲层以降低飞行器表面热流. 目前,溢流冷却技术还处于探索阶段,实现工程应用前还需开展大量的实验验证和机理研究工作. 本文首次开展溢流冷却的实验研究工作,采用热流测量、液膜厚度测量及液膜流动特性观测技术,搭建了完善的溢流冷却风洞实验平台,对溢流冷却热防护性能和高超声速条件下液膜流动规律进行了初步研究. 研究表明:(1) 高超声速流场中通过溢流能够在飞行器表面形成液膜并有效隔离外部高温气流,可降低飞行器表面热流率;(2) 楔面上的液膜前缘流动是一个逐渐减速的过程,增加冷却液流量液膜厚度变化不明显,但液膜前缘运动速度增大;(3) 液膜层存在表面波,在时间和空间方向发生演化,导致液膜厚度的微弱扰动;(4) 液膜层存在横向展宽现象,即液膜层宽度大于溢流缝宽度. 原因是液膜层与流场边界层条件不匹配,存在压力梯度,迫使冷却液向低压区流动,从而展宽液膜层,并且流量越高,横向展宽现象越明显.      

气相爆轰波胞格尺度与点火延迟时间关系研究

讨论点火延迟时间和爆轰波胞格尺度的内在关系,将点火延迟时间作为特征参量来模拟胞格尺度. 分别对两个总包单步化学反应模型和一个基元反应模型的点火延迟时间进行了数值模拟研究. 对于满足当量比的氢气/空气混合气体,分析了不同初始压力下点火延迟时间随初始温度的变化关系. 研究表明:总包单步反应模型的点火延迟时间不随压力变化,且与初始温度呈线性关系. 基元反应模型的点火延迟时间随压力变化,而且存在理论上的S 型曲线,但是在拐点区域和低温区域与CHEMKIN 计算的结果相差1~3 个量级. 现有模型模拟的胞格尺度普遍偏小,其相应的点火延迟时间也偏小,胞格尺度与点火延迟时间具有正相关性. 入射激波后的气体的点火延迟时间与三波点的运动周期一致,是定量化模拟胞格的关键因素.      

建设高温气体动力学国家重点实验室支撑我国高超声速科技发展

高温气体动力学国家重点实验室(筹)(State Key Laboratory of HighTemperature Gas Dynamics, LHD)以空天科技发展为主要背景,致力于高温气体动力学的基础学科研究,以支撑我国高超声速技术发展的需求.LHD是20世纪50年代末在钱学森和郭永怀先生建立中国科学院力学研究所气动科研力量和学科方向的基础上发展壮大的,作为中国科学院重点实验室正式成立于1994年. 十几年来,在俞鸿儒院士的指导下, LHD以创新求发展,逐步建设成为理论、实验和数值模拟研究相结合、装备配套的高温气体动力学开放研究基地.1998年、2004年和2005年,LHD先后多次以优良成绩通过中国科学院或国家重点实验室评估.特别是在2009年的中国科学院重点实验室评估中,在20个数理领域的重点实验室中取得了排名第一的优秀成绩.      

近空间飞行器中的重大力学问题专题序言

序言近空间(near spaoe)是指距地面(20～100)km的空域,包括了自然大气层中从对流层顶、平流层、中间层和热层的很小一部分.大致介于目前一般飞机的静升限和空间轨道飞行器的高度下限之间.由于其重要的开发应用价值而成为国际上非常热门的一个话题.