高超声速飞行器高温流场对激光武器毁伤效应的影响

以美国ABL系统激光武器为例,分析了高超声速飞行器高温流场气体影响激光武器毁伤效应的一些主要因素,包括气体击穿、等离子体屏蔽效应、烧蚀产物颗粒的影响。结果表明:通常情况下,流场电子数密度小于1017cm-3,流场本身等离子体特性不会引起对激光的等离子体屏蔽效应;只有在0.5 km射程以内和宽脉冲激光引起的高压流场(约10 MPa以上)气体击穿,才会导致明显的等离子体屏蔽效应,但在实际战场条件下这种情况一般不会发生;对采用烧蚀手段进行防热的飞行器而言,飞行高度大于10 km,并且基于自由来流流量的无量纲化烧蚀流量小于10-2左右时,烧蚀产物颗粒不会引起激光的衰减。     

自由活塞压缩管ALE方法数值模拟

当前国际上实现高焓气体流动的实验手段之一是自由活塞驱动类脉冲设备,包括自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管.采用自由活塞压缩管作为激波风洞和膨胀管的驱动段时,其驱动能力在很大程度上决定了该类设备的性能.本文采用计算流体力学中任意拉格朗日——欧拉方法(arbitrary Lagrangian Eulerian)数值模拟了压缩管内部的自由活塞运动和气体流动特征.采用移动网格技术来适应活塞运动边界,耦合求解网格运动和气体流动过程,并通过双时间步长方法进行流体运动的时间积分.为了满足几何守恒律(geometric conservation law),对移动网格的法向矢量和表面面积计算进行了修正.不同时刻的活塞位置试验测量结果及欧拉方法预测结果,以及基于简单波理论获得的运动活塞底部气体压力、活塞速度与活塞位置都与当前的ALE方法十分一致.该工作为下一步数值模拟自由活塞激波风洞和自由活塞膨胀管中包括压缩管、激波管和喷管等不同部位的耦合流动提供了基础.      

高焓膨胀管中压缩管最佳长度设计分析

中国空气动力研究与发展中心超高速所即将建成的高焓喷胀管采用自由活塞驱动,为了能够使该设备有效运行试验时间达到最长,需要对设备中的压缩管长度进行优化。针对压缩管中的自由活塞运动,本文通过数值求解单一组分和混合驱动气体条件下的活塞运动准一维常微分控制方程组,分析了不同试验设计参数和不同驱动气体介质对压缩管定压驱动时间的影响。采用数值解结合脊线(局部极值曲线)理论获得了定压驱动时间局部极值曲面,基于压缩管四种摩尔比例驱动气体(100%H2,85%H2+15%N2,100%He,85%He+15%Ar)和三组压缩比(λ=60,100,140)下的极值曲面,研究发现,定压驱动时间脊线高度随着压缩管的有效长度(初始活塞头部到压缩管末端膜片的距离)和内径之比L/D增加而增加。本文研究最终获得了给定参数条件下满足最长定压驱动时间要求的最佳压缩管长度。     

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.