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.     

基于OH自由基A2Σ + →X2Πr 电子带系发射光谱的温度测量技术

本文基于OH自由基所固有的分子结构特征,通过分子光谱理论系统地分析和计算了OH自由基A²Σ ⁺ →X²Π_r 电子带系发射光谱的谱线跃迁频率、能级分布以及爱因斯坦自发发射跃迁概率等重要参数.同时结合实际的光谱实验,分析了谱线的自然展宽、碰撞展宽、多普勒展宽以及仪器展宽等各种展宽因素对谱线线型的影响,从理论上计算了任意转动温度、振动温度以及谱线展宽条件下OH自由基A²Σ ^{关键词： 发射光谱 转动温度 振动温度 自发发射爱因斯坦跃迁概率}     

斜爆轰发动机的推力性能理论分析

爆轰燃烧具有释热快、循环热效率高的特点. 斜爆轰发动机利用斜爆轰波进行燃烧组织, 在高超声速吸气式推进系统中具有重要地位. 以往研究主要关注斜爆轰波的起爆、驻定以及波系结构等, 缺少从整体层面出发对斜爆轰发动机开展推力性能分析. 本文将斜爆轰发动机内的流动和燃烧过程分解成进气压缩、燃料掺混、燃烧释热和排气膨胀4个基本模块并分别进行理论求解, 建立了斜爆轰发动机推力性能的理论分析模型. 在斜爆轰波系研究成果的基础上, 选取了过驱动斜爆轰、Chapman?Jouguet斜爆轰、过驱动正爆轰和斜激波诱导等容燃烧等4种燃烧模式来描述燃烧室内的燃烧释热过程, 并对比分析了不同燃烧模式对发动机比冲性能的影响. 此外, 还获得了不同来流参数、燃烧室参数和进排气参数等对发动机推力的影响规律, 发现来流马赫数和尾喷管的膨胀面积比是发动机理论燃料比冲的主要影响因素. 最后, 结合以往关于受限空间内斜爆轰波驻定特性等方面的研究成果, 提出了斜爆轰发动机燃烧室的设计方向.      

高超声速脉冲风洞模型自由飞试验技术

风洞模型自由飞试验利用高速相机记录自由飞行模型的运动历程, 再根据模型运动特征参数反演模型的气动特性.由于没有支撑系统的干扰, 该试验能够较真实地模拟飞行状态, 在飞行器静/动稳定特性研究中具有独特的优势.文章在JF-8A高超声速脉冲风洞中开展了10°尖锥模型自由飞试验, 并以圆球模型的自由飞运动测量风洞动压, 对模型运动特征参数的数字图像提取技术及气动参数的辨识方法等关键技术进行了研究.      

气体体积粘性对二维环形激波聚焦的影响

基于体积粘性系数ζ的分子运动论和连续介质理论,对二维环形激波聚焦（马赫数Ma=2.0）的体积粘性效应进行数值研究,结果表明：对于热完全气体,体积粘性使得激波汇聚中心点处的压力减小、温度增加、密度减小,聚焦点物理参数的改变量分别可达20%、10%、30%,体积粘性效应对环形激波聚焦的影响是不可忽略的;与转动模态相比,在振动模态下环形激波聚焦的体积粘性效应更为明显,因为激波聚焦点附近的体积粘性应力ζ▽·V与热力学压力p达到同一数量级,从而显著改变了流动参数.     

超燃冲压发动机推进性能理论分析

超燃冲压发动机的正推力问题和超声速燃烧的稳定性问题是制约超燃冲压发动机发展的两个关键气动物理问题.虽然经过50多年的研究,但是目前国内外对这两个关键问题的机理还没有研究清楚.文章首次将CJ爆轰理论应用于超燃冲压发动机推进性能分析,给出了这两个关键气动问题的理论分析结果.分析结果表明,燃烧室入口空气静温对发动机的推进性能产生重要影响.当爆轰波的爆速大于隔离段内空气来流的速度时,会向隔离段上游传播,导致发动机不起动.飞行Mach数Ma=6~8是超燃发动机的临界不稳定范围,飞行Mach数Ma>9,超声速燃烧将变得稳定.      

超声速后台阶流动/射流相互作用的数值模拟

采用高精度格式求解二维Navier-Stokes方程研究超声速射流与同向超声速后台阶流动相互作用的流场基本结构及规律,分别应用5阶WENO格式、6阶中心差分格式离散对流项和黏性项,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式,并应用消息传递接口（message passing interface,MPI）非阻塞式通信实现并行化.分别研究了超声速后台阶流动、超声速射流的基本结构特征,以此讨论和分析超声速后台阶流动/射流相互作用的特征,以及不同来流条件对波系结构、涡结构、剪切层、膨胀扇等的影响,尤其是来流剪切层和射流剪切层的相互作用,形成复杂的波系结构及相互干扰的流动现象.      

激波管壁AlO自由基B~2Σ~+-X~2Σ~+和C~2Π_r-X~2Σ~+带系辐射光谱的研究

爆轰驱动过程中产生的高温高压气流对铝质膜片、激波管壁产生烧蚀和冲刷作用,以致激波管壁、端盖上附有氧化铝等杂质,而高温下AlO自由基在气体分子的高速碰撞下被激发并产生强烈的辐射,从而干扰了高温气体辐射光谱的分析。用爆轰驱动加热技术将空气加热到4 000~7 000 K,利用多通道光学分析仪对AlO自由基辐射光谱进行分析,实验发现在460~530 nm波长范围内有多支辐射非常强烈的AlO自由基B2Σ+-X2Σ+(T00=20 689 cm-1)带系辐射谱带,且每支谱带都由多个带头组成,带头间隔约为2 nm,带头处于高频位置并向低频方向伸延。通过实验与理论计算相结合,重点分析了AlO自由基B2Σ+-X2Σ+带系辐射光谱的结构特征。AlO自由基C2Πr-X2Σ+(T00=33 047 cm-1)带系辐射光谱处于270~335 nm波长范围内,其辐射强度相对于B2Σ+-X2Σ+带系较弱,并且与OH基A2Σ+-X2Π(T00=32 682 cm-1)带系辐射光谱互相干扰而难以分辨,对该波段高温空气的辐射光谱分析产生不利的影响。     

长试验时间激波风洞测力技术研究

中国科学院力学研究所复现飞行条件高超声速激波风洞JF12的落成突破了毫秒级试验时间的瓶颈,有效试验时间超过100ms.因此,对于JF12长试验时间激波风洞的测力试验,基于应变天平技术较为成熟、结构简单等优点,我们考虑采用传统的应变计天平.但是,激波风洞来流冲击所带来的惯性力干扰导致天平测力系统产生低频振动,传统内置应变天平的结构刚度很难保证信号有足够的处理周期,这大大限制了激波风洞测力模型的尺寸和重量.针对这个难题,基于JF12激波风洞的运行特点及对测力天平刚度特性的特殊要求,优化设计了应变天平的测力单元结构以适用于这种脉冲动态测力试验,相应加工制造了大刚度、低干扰、高灵敏度的系列脉冲型应变天平,结构形式包含了杆式和盒式,最大载荷(法向力)从1kN到30kN,以满足不同尺度飞行器的测力试验需求.同时,我们应用不同尺度的测力模型对研制的脉冲型天平在JF12激波风洞进行了一系列动态气动力测量试验,以进一步评估JF12系列脉冲型应变天平的结构特性和测力性能.      

爆轰波与激波对撞爆轰状态演化机理研究

对当量比氢氧混合气体中爆轰波与激波的正面对撞过程进行了二维数值研究. 采用了二阶精度NND差分格式与改进的两阶段化学反应模型,并以数值x-t纹影图以及烟迹图记录了对撞过程. 数值研究表明,透射爆轰波受到膨胀影响首先会衰减,甚至产生局部解耦现象;然后由于三波点的碰撞又能再次重新耦合. 在爆轰波对撞过程中,由于燃烧不均匀性而产生的弱横波对爆轰胞格的形成起着重要作用.