飞行器上层大气层空气动力特性探讨

针对近地轨道飞行器所面临的上层大气层（100~300 km）空气动力学问题,对几类典型航天器构型的上层大气层气动力特性进行了分析,给出了典型气动布局在该空域的气动力基本规律,取得了对上层大气层气动力关键影响因素的初步认识.在上层大气层,飞行器的绕流属于自由分子流状态.研究发现,气体分子与不同材质物面的相互作用反映出截然不同的升力和阻力特性.对于1 m2气动受力面的飞行器,在100~200 km轨道高度存在大于1 mN的气动力,在接近300 km轨道高度时受到的气动力则远小于1 mN.在一般条件下,飞行器的升阻比小于1.但是,当物面适应系数约为0.2时,在100~200 km轨道高度存在升阻比大于1的状态,这一特点体现了上层大气层气动力学的基本特性.据此认为,100~200 km是气动力可利用的飞行空域,在此空域开展上层大气层空气动力学研究,对于未来发展上层大气层飞行器意义重大.      

转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响

为研究转捩与湍流对激波边界层干扰及底部流动结构的影响,文章选取了二维与三维高超声速双斜面进气道模型与大钝头着陆器模型,并使用γ-Re_θ转捩模型开展数值模拟研究.研究表明,对于二维进气道模型,随着前缘钝度的增加,激波边界层干扰位置前移,分离区变大,与层流流动情况相比,有转捩流动发生时,激波边界层干扰位置后移,同时分离流动强度变弱,分离区缩小;对于三维进气道模型,其拐角附近的分离流动呈现明显的三维特征,转捩流动也存在三维流动结构,与静风洞状态相比,噪音风洞状态下,有转捩流动发生,对壁面热流影响较大,对激波系影响很小.对于着陆器模型,底部流动发生转捩,使得底部流动由不稳定非定常的流动结构变为稳定定常的流动结构,这有益于姿态控制设计.      

钝头体高超声速绕流底部失稳特征数值模拟

利用数值模拟方法对高超声速钝锥及Apollo返回舱底部尾迹流场进行了研究, 分析尾迹流动的失稳过程. 对钝锥模型, 在M_∞=6, Re=1.71× 10⁶(Re以球头半径为参考长度)条件下观察到了底部流动的不稳定性. 不添加任何扰动, 数值模拟首先得到的流动是稳定解, 在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区, 流动是轴对称状态. 继续进行计算, 发现二次分离线率先变形, 底部流场发展出非定常周期流动. 对Apollo返回舱模型, 在相同条件下 (Re以前面圆弧半径为参考长度), 数值模拟首先得到的流动同样是稳定解, 出现以二次分离线率先变形为起始的结构失稳, 演化出周期性过程, 但持续时间较短, 很快出现了非周期非对称状态. 研究表明, 高超声速钝锥及Apollo返回舱底部流场均存在不稳定性问题, Apollo返回舱的底部流场更加不稳定.     

返回舱高雷诺数再入过程底部流动稳定性

返回舱高雷诺数再入过程中存在肩部高热流、底部阻力无法准确预测以及非定常振动等问题,解决此类问题的关键是分离和转捩等物理现象的准确识别. 本文采用大涡模拟方法细致刻画了返回舱类钝体外形在高雷诺数再入过程中的分离和转捩等物理现象,获得了返回舱底部流动形态以及稳定性特征. 从肩部剪切失稳、底部流动结构失稳、尾迹发展区以及远尾迹区的耦合失稳等多个角度分析了返回舱外形的底部流动失稳机制.研究发现, 返回舱类外形底部流动稳定性主要存在两类失稳模式即肩部剪切失稳模式以及底部流动结构失稳模式,二种模式存在耦合效应, 同时在远尾迹湍流区域存在类卡门涡街的振荡行为.这些认识为理解返回舱外部扰动因素对底部流动的作用机理及返回舱稳定性控制提供了基础理论支撑.      

高超声速气动试验模拟现状与面临的新挑战

高超声速飞行器的发展对地面试验模拟提出了新的要求, 但是, 现有条件还不能完全满足这些要求.文章首先回顾和概述了气动研究地面试验所应遵循的一般性相似准则, 分析了现行气动力热和推进试验模拟的不足和所面临的挑战.经分析认为, 面对这些挑战, 现行的主要参数模拟部件相似模拟和局部相似模拟等方法仍然有效, 但应加强相似理论对地面试验的指导和计算对试验的支撑性作用, 并在必要时通过飞行试验对不完全相似模拟结果进行验证与确认.      

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.      

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行了分析.选取计算模型为圆球,Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为参考长度). 通过数值模拟,首先得到的流动是稳定解,在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区,流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算,发现底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后,该现象继续发展,出现明显的结构失稳,得到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过程,对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于底部流动稳定性问题的研究,同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.      

大尺度网格下DSMC仿真碰撞概率的修正方法

从DSMC碰撞概率的实现途径出发,通过引入最小二乘法及亚松弛的思想给出一种大尺度网格下分子仿真碰撞概率的修正方法,将该方法应用于非结构四面体网格下的DSMC模拟中,计算分析了文献中钝锥模型的绕流结果,数值结果初步验证了本文方法的合理性和有效性。     

标模外形化学非平衡流场数值模拟

利用三维并行计算代码求解Navier-Stokes方程,数值模拟标模(ELECTRE)化学非平衡绕流,研究真实气体效应对标模气动热特性的影响,反应模型为Dunn和Kang的7组元7反应化学动力学模型.利用典型弹道点的飞行试验数据验证化学非平衡流计算程序的可靠性.在此基础上,研究不同壁面催化条件下攻角和高度变化对热流的影响.计算表明:真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内,并使激波脱体距离减小;完全催化壁驻点热流值高于非催化壁热流值;随着攻角增大,热流分布差异明显,而且攻角越大时,物面电子数密度越小;飞行高度越高,O₂和N₂离解程度越低,驻点热流越低.     

基频涡卷群并作用的唯象模型与数值分析

基于线性稳定性理论, 建立了可压缩时间发展混合层亚谐扰动作用的唯象分析图, 用以分析并判定亚谐扰动相差对基频涡卷非线性演化类型的影响, 据此导出了基频涡卷各非线性演化类型的定量的相差唯象模型. 研究发现, 对于单一亚谐扰动作用, 基频涡卷的演化类型可归纳为撕裂、中心对称群并和非对称群并3类演化现象. 撕裂现象和中心对称群并是特殊现象, 对应特定的相差点; 非对称群并为常见现象, 对应除这些相差点之外的相差区间, 并以逐级对并方式进行.