高速双锥绕流中热化学与输运模型影响研究

激波与边界层之间相互作用是高超声速飞行中的常见现象,对飞行器气动性能与飞行安全至关重要.对于高焓来流,流场中通常存在复杂的物理化学现象,此时准确模拟流场中激波边界层相互作用的难度大,相关物理化学建模仍有待进一步考察和研究.本文针对最近文献中纯净空气高超声速双锥绕流实验开展数值研究,分别研究了不同热化学模型与输运模型对壁面压力与热流的影响.热力学模型包括完全气体、热力学平衡和非平衡模型,化学模型包括冻结和非平衡化学模型,输运模型包括经典的Wilke/Blottner/Eucken模型与更加复杂的Gupta/SCEBD模型,以及考虑壁面催化/非催化影响的模型.计算了6个不同算例,涵盖了低焓至高焓来流等不同工况.壁面压力与热流的数值计算结果与实验结果符合较好;对于低焓来流,计算结果主要受到分子内能分布的影响,输运模型对计算结果的影响不大;对于高焓来流,一方面计算结果受到化学反应与壁面催化的影响较大,另一方面不同输运模型对计算结果的影响也更加明显.     

串列双锥柱绕流流动特性的大涡模拟研究

利用大涡模拟研究了雷诺数Re = 3900下串列双锥柱在间距比L/D_m = 2 ~ 10下的升阻力特性及三维流动结构. 研究发现: 上游锥柱在后方形成的两个展向不对称回流区, 使其后方压力分布不对称. 上游锥柱发展的上洗、下洗和侧面剪切层作用在下游锥柱的附着点位置不同是上游和下游锥柱时均阻力系数和脉动升力系数变化的主要原因, 串列双锥柱间流动结构随间距比变化可分为三种状态: 剪切层包裹状态, 过渡状态及尾流撞击状态. 剪切层包裹状态. 上游锥柱的自由端主导来流在下游锥柱迎风面影响范围广, 上游锥柱剪切层完全包裹住下游锥柱, 从而抑制下游锥柱后方回流区形成, 导致下游锥柱时均阻力系数降低; 尾流撞击状态; 上游锥柱尾流得到充分发展, 其回流区大小随间距比增大不再发生变化, 上游锥柱尾流出现周期性脱落, 撞击在下游锥柱表面, 从而使脉动升力系数大幅增加, 最大脉动升力系数较单直圆柱提升约20.7倍; 过渡状态, 此时时均阻力系数和脉动升力系数均会较剪切层包裹状态增加. 该研究可以为风力俘能结构群列阵布局提供理论支持.      

高超声速非平衡流动-辐射特性数值模拟研究

飞行器高超声速飞行过程中所承受对流加热和辐射加热可能具有相当的量级,因此合理准确预测气动加热需要将二者进行综合考虑.文章发展了具有非玻尔兹曼电子能级分布和振动能级分布的高温空气碰撞辐射模型,并耦合一维激波后流动方程计算不同飞行条件下激波后的非平衡流动特性,采用逐线辐射输运模型计算获得激波后非平衡辐射特性、辐射强度和辐射输运通量,深入比较分析了不同飞行高度和马赫数对非平衡流动和辐射输运过程的影响.计算结果表明对于高空高马赫飞行条件,其波后流动存在显著的热力学非平衡、化学非平衡和能级非平衡特征,在近激波区域高振动能级和原子高束缚电子激发态明显低于玻尔兹曼分布.在高空高马赫条件下真空紫外辐射占据主导地位,主要是由高能原子束缚-束缚跃迁造成的.随着高度和马赫数的下降,激波层内气体解离和电离程度降低,原子辐射贡献下降,分子辐射贡献增加,导致红外、可见光和紫外波段的辐射输运增强,真空紫外辐射输运过程减弱.     

气体模型对再入飞行器气动力热环境影响的数值研究

复杂外形再入飞行器的设计,需对气动力热环境进行预测,由于不同的气体模型会对预测的结果产生影响,所以气动设计时就必须考虑这一影响.采用热化学平衡气体模型和双温度热化学非平衡气体模型对复杂外形再入飞行器的气动力热环境进行了数值计算;分析了气体模型对气动力、壁面热流等值线、驻点线平动温度、振动温度、组分质量分数等特征量的影响...     

高温热化学非平衡气动热试验与仿真技术研究进展

临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展,面临的气动热环境会越发恶劣,高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一.高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速,分子动能转化为内能,产生了高温.高温引起体分子振动、电子激发,伴随离解、电离反应等一系列复杂气动物理现象,其流场气动热预测面临诸多挑战.文章对高温热化学非平衡气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨.首先,阐述了国内外高温气动热地面试验技术的发展历程,重点介绍分析了气动热风洞试验设备的模拟能力及目前试验测试技术的研究水平;然后,调研和讨论了高温气动热数值模拟研究现状,分别从热化学模型、辐射输运和壁面催化/烧蚀等多个角度探讨了热化学非平衡流场气动热数值模拟规律;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了高温气动热试验与仿真技术后续应重点解决的问题.     

轴对称再入舱模型气动热特性数值模拟研究

应用基于块结构网格的有限体积求解方法,对热化学非平衡环境下轴对称再入舱模型的气动热特性进行了数值模拟。控制方程为带化学反应的多组元轴对称N-S方程,空间离散采用VanLeer迎风格式,时间推进为隐式LU-SGS格式;采用7组元7化学反应模型及Park双温模型模拟再入流场的热化学非平衡效应。对Hollis MP-1模型的气动热特性进行了数值模拟,分别就网格效应、湍流模型、流场的热力学性质对流场的气动力、热环境的影响进行了深入研究。研究结果表明:SST模型与k-w1998模型能更准确地计算再入流场热流峰值的位置与大小;在再入舱模型的局部区域,采用热力学非平衡模型计算的物面压强与热流结果要明显低于热力学平衡模型的结果。     

高超声速高焓边界层稳定性与转捩研究进展

边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题. 随着飞行速域与空域的不断拓展, 高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效, 从而深刻影响流动转捩过程. 相关研究涉及多个学科, 是典型的多物理场耦合问题. 近年来, 随着相关飞行器技术的快速发展, 高超声速高焓边界层转捩问题的重要性越来越得到体现, 相关研究已成为国际上的热点领域. 本文综述相关研究进展, 首先介绍目前常用的高温气体物理模型, 尤其关注热化学非平衡模型, 并介绍激波捕捉、激波装配和边界层方程解等常用的高焓流动求解方法, 以及相关风洞和飞行试验技术的进展. 然后综述高温气体效应对转捩过程中的感受性、模态增长、瞬态增长和非线性作用等的影响的相关研究, 其中流向不稳定性中出现较大增长率的第三模态和超声速模态引起了广泛的研究兴趣. 最后进行总结, 并对未来发展略作展望.      

圆柱绕流尾迹中相干结构对湍流特性的影响

实验研究了圆柱尾迹中相干结构对湍流平均量的影响.用一个X热线在距离圆柱体y/d=4测量参考信号,用X热线和冷线相结合的三线探头测量从x/d=10～40的圆柱绕流尾迹中的速度和温度脉动,用条件平均的方法研充圆柱绕流近尾迹中的相干结构,并对相干结构对动量和热量的湍流输运过程的影响进行初步分析.结果表明:相干结构对尾迹中速度的横向脉动影响最大;相干结构对湍流参数的影响随x/d的变化明显.该工作还对相干结构引起的湍动能产生率变成负和逆温度梯度输运现象做了定性的解释.     

圆柱绕流电磁控制影响因素的实验研究

实验与数值模拟表明,利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁力可有效改变圆柱流体边界层,控制圆柱绕流.本文对圆柱绕流电磁控制过程中的主要影响因素进行了实验研究,电磁包覆在圆柱表面后部时,其控制效果与全部包覆相当,而包覆在其它位置时,消涡效果较差;电磁极板窄的圆柱绕流控制效果较极板宽的消涡与减阻效果好.另外,电磁作用参数N愈大,消涡减阻的效果愈好.     

转动非平衡玻尔兹曼模型方程统一算法与全流域绕流计算应用

基于过去开展稀薄自由分子流到连续流气体运动论统一算法框架,采用转动惯量描述气体分子自旋运动,确立含转动非平衡效应各流域统一玻尔兹曼模型方程.基于转动能量对分布函数守恒积分,得到计及转动非平衡效应气体分子速度分布函数方程组,使用离散速度坐标法对分布函数方程所依赖速度空间离散降维;应用拓展计算流体力学有限差分方法,构造直接求解分子速度分布函数的气体动理论数值格式;基于物面质量流量通量守恒与能量平衡关系,发展计及转动非平衡气体动理论边界条件数学模型及数值处理方法,提出模拟各流域转动非平衡效应玻尔兹曼模型方程统一算法.通过高、低不同马赫数1:5～25氮气激波结构与自由分子流到连续流全飞行流域不同克努森数（9×10-4～10）Ramp制动器、圆球、尖双锥飞行器、飞船返回舱外形体再入跨流域绕流模拟研究,将计算结果与有关实验数据、稀薄流DSMC模拟值等结果对比分析,验证统一算法模拟自由分子流到连续流再入过程高超声速绕流问题的可靠性与精度.      

高温气体热化学反应的DSMC微观模型分析

热化学耦合的非平衡现象一直是高温气体热化学问题研究的难点, 制约了诸如爆轰波胞格结构、低温点火速率等现象的分析. 本文以高温氮气离解和氢氧燃烧中的链式置换反应为例, 从微观反应概率、振动态指定的反应速率、热力学非平衡态的宏观反应速率、碰撞后的能量再分配等角度, 分析了直接蒙特卡罗模拟中的典型化学反应模型(TCE, VFD, QK模型)的微观动力学性质. 研究发现, 无论是高活化能的高温离解反应还是低活化能的链式置换反应, 实际参与反应的分子的振动能概率分布都偏离了平衡态的Boltzmann分布, 包含较强振动能额外影响的VFD模型可以很好地模拟高温离解反应, 而TCE (VFD的一个特例)和QK模型对活化能较低的链式置换反应的预测效果相对更好. 此外, 化学反应碰撞后的能量再分配应遵循微观细致平衡原理, 细微的偏差都可能造成平动能和振动能难以达到最终的平衡状态. 直接蒙特卡罗模拟的应用评估结果表明, 化学反应的振动倾向对热化学耦合过程产生了明显的影响, 特别是由于高振动能分子更多地参与了化学反应, 气体平均振动能的下降将影响后续化学反应的进行.      

抽吸激波管的性能分析与计算

为了减小由于反射激波和透射激波分叉引起的反射型激波风洞试验气体提前受到污染的现象,本文研究了一种新的具有抽吸的激波管流动,分析了抽吸缝的作用,给出了这种抽吸激波管性能参数的计算方法,同时还给出了反射激波与边界层相互作用引起的激波分叉的形状随抽吸量变化的计算公式。实验证实了边界层抽吸可以有效地减小激波与壁面边界层相互作用所产生的分离现象。计算与测量结果是一致的。     

超声速多喷流干扰流场特性研究

研究了旋成体上超声速来流与超声速横向多喷流相撞产生的层流干扰流场特性. 数 值方法针对三维可压缩Navier-Stokes方程按二阶精度Roe格式进行离散,采用基于多区对 接网格技术的有限体积法. 数值模拟结果描述了多喷流干扰流场的空间结构以及激波/边界层 干扰引起的分离范围,探讨了沿流向等间距排列的喷口个数对表面和空间流场结构以及压力 分布的影响规律. 结果表明,第一喷口对多喷流干扰流场主要结构和喷口上游表面分离范围 起主导作用. 其中三喷流流场数值模拟的对称面激波结构与实验纹影结果进行对比,符合较 好.     

THE EFFECTS OF ROUGHNESS CHANGE ON THE SURFACE LAYER OF THE ATMOSPHERE(Ⅰ)—THE VARIATIONS OF WIND SPEED AND SHEAR STRESS

A general four-layer structure linear theory for predicting the effects of arbitrarilydistributed roughness change on the variations of wind speed and shear stress in the surfacelayer of3D and2D atmospheres was presented.The results derived by the theory wereagreeable to the previous ones.     

曲率和旋转对离心叶轮叶片上湍流边界层的影响

本文将曲率和旋转项引入二维湍流边界层动量方程中,导出动量损失厚度的积分关系式。分析了曲率和旋转对湍流结构的直接影响,并提出壁面速度分布律的修正表达式。     

流体动力干扰对单排圆柱桩列波浪力的影响

多物体之间的流体动力干扰特性对超大型海洋结构物的设计和研究十分重要用波动源在截面周线上分布的方法，就垂直桩柱间三维流体动力干扰对波浪力的影响进行了系统的研究，桩柱的数目可达１００余根得到了柱间流体动力干扰力学机理的若干新的特性尤应指出的是，当桩柱根数超过某一数量后，桩柱上的受力表现出有规律的连续依赖性当柱数很大时，无论柱数是奇数还是偶数，中间大部分的桩柱都将表现出均匀的受力特征这些特性的发现对其他形式多体结构物流体动力干扰的研究也有重要的借鉴和指导意义     

跨声速激波边界层相互作用的被动控制

运用激波管风洞在Ｒ＿（ｅ∞／ｍ＝３×１０￣７，Ｍ＿∞＝０．７３２－０．８１７范围内，在厚度比为１２％的圆弧翼型半模型和厚度比为１４％的超临界翼型半模型上，对被动控制现象及其若干规律进行了实验研究。结果表明，不同空腔深度的开孔壁和导管连通壁均可对壁面激波与边界层的相互作用实现被动控制，使得沿以上两种模型表面的马赫数峰值、逆压力梯度和激波强度明显减小。这对于飞行器将起到减阻作用，如将这一原理和方法用于超、跨声速压气机内激波与边界层相互作用的控制，将提高压气机的效率和工作的稳定性。     

可压缩流向涡与激波轴对称干扰的数值模拟

用ＮＳ方程数值模拟了可压缩流向涡和激波轴对称相互作用现象。数值模拟包括定常和非定常两种情况,计算结果分别与相应的实验进行了比较,结果表明数值模拟成功地捕捉到了激波和旋涡相互作用过程中发生的激波波面变形,激波振荡,涡核变大以及激波波后出现驻点、回流区等流场特征。提出了判断流向涡与运动激波相互作用中旋涡破碎的准则。     

跨声速激波边界层相互作用的被动控制

运用激波管风洞在Ｒ＿（ｅ∞／ｍ＝３×１０￣７，Ｍ＿∞＝０．７３２－０．８１７范围内，在厚度比为１２％的圆弧翼型半模型和厚度比为１４％的超临界翼型半模型上，对被动控制现象及其若干规律进行了实验研究。结果表明，不同空腔深度的开孔壁和导管连通壁均可对壁面激波与边界层的相互作用实现被动控制，使得沿以上两种模型表面的马赫数峰值、逆压力梯度和激波强度明显减小。这对于飞行器将起到减阻作用，如将这一原理和方法用于超、跨声速压气机内激波与边界层相互作用的控制，将提高压气机的效率和工作的稳定性。     

数值研究平板方舵激波-湍流边界层干扰

数值研究了平板方舵激波-湍流边界层干扰流场。模拟出了分离激波与弓型激波砬撞后形成的“λ”激波结构;消晰地显示了分离区中的旋涡结构,发现流场中会出现二次分离涡,并从理论上分析了流场对称面涡心形态与非定常的关系,得到了涡心为不稳定螺旋点或出现极限环是非定常流动特征的新结论。