高超声速飞行器气动防热新概念研究

传统乘波构型的高超声速飞行器尖锐的前缘存在严重的气动加热问题,而简单的前缘钝化气动防热方法由于造成很大的升阻比损失,难以发挥实质性作用. 引入``人工钝前缘(ABLE)'概念,拟以一种新的思路解决这一矛盾. 通过定义ABLE构型的外形参数,并采用CFD数值计算方法研究了各参数对气动力和气动热特性的影响规律,在流场分析的基础上进行了外形优化,最终得到令人满意的新型高超声速飞行器头部外形,总结了运用ABLE概念进行气动防热的相关设计原则和规律.      

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.      

GAS-KINETIC UNIFIED ALGORITHM FOR BOLTZMANN MODEL EQUATION IN ROTATIONAL NONEQUILIBRIUM AND ITS APPLICATION TO THE WHOLE RANGE FLOW REGIMES

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.     

稀薄气体动力学现状

自从1946年钱学森的开创性文章发表以来,对稀薄气体动力学的兴趣主要在于高速稀薄气体对物体绕流的空气动力学问题。二十余年来这门学科发展很快,直到最近其发展势头仍未减弱,这点从历届稀薄气体动力学国际会议的情况也可以看出来(其中第七次会议文集未到,仅见会议较详介绍,第八次1972年夏刚刚开过)。会议文集      

基于Boltzmann模型方程的气体运动论统一算法研究

模型方程出发,研究确立含流态控制参数可描述不同流域气体流动特征的气体分子速度分布函数方程; 研究发展气体运动论离散速度坐标法, 借助非定常时间分裂数值计算方法和NND差分格式, 结合DSMC方法关于分子运动与碰撞去耦技术, 发展直接求解速度分布函数的气体运动论耦合迭代数值格式; 研制可用于物理空间各点宏观流动取矩的离散速度数值积分方法, 由此提出一套能有效模拟稀薄流到连续流不同流域气体流动问题统一算法. 通过对不同Knudsen数下一维激波内流动、二维圆柱、三维球体绕流数值计算表明, 计算结果与有关实验数据及其它途径研究结果(如DSMC模拟值、N-S数值解)吻合较好, 证实气体运动论统一算法求解各流域气体流动问题的可行性. 尝试将统一算法进行HPF并行化程序设计, 基于对球体绕流及类``神舟'返回舱外形绕流问题进行HPF初步并行试算, 显示出统一算法具有很好的并行可扩展性, 可望建立起新型的能有效模拟各流域飞行器绕流HPF并行算法研究方向. 通过将气体运动论统一算法推广应用于微槽道流动计算研究, 已初步发展起可靠模拟二维短微槽道流动数值算法; 通过对Couette流、Poiseuille流、压力驱动的二维短槽道流数值模拟, 证实该算法对微槽道气体流动问题具有较强的模拟能力, 可望发展起基于Boltzmann模型方程能可靠模拟MEMS微流动问题气体运动论数值计算方法研究途径.      

稀薄气流在麦克斯韦类型边界条件下对球的绕流

本文讨论低速稀薄气流(K_n《1)中圆球阻力问题,在Knudsen层中取分子在表面作Maxwell类型反射的壁面条件求解线性B-K-W方程,而以Stokes区的匹配渐近展开解为无穷远处的边界条件,在表面与均匀来流间温差为小量的假设下得到了小K_n数下圆球绕流的解。除稀薄气体效应外,还考虑了惯性效应和分子在表面的反射机制,所得的球阻表达为K_n、Re和热适应系数α的函数。     

高超声速稀薄流中横向喷流干扰特性实验研究

喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段,研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究,并给出了喷流干扰流场的典型结构,而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏.本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流,基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究,采用高速纹影成像及图像处理技术,获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律.相比于无喷流条件形成的流场,横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂,喷流压力由于受到稀薄来流的扰动,斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部.喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽,位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变,而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动,当喷流压力过低时,桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点.高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽,弓形激波同样也会向上游移动,但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.     

稀薄气体动力学的现状

自从1946年钱学森的开创性文章发表以来,对稀薄气体动力学的兴趣主要在于高速稀薄气体对物体绕流的空气动力学问题。二十余年来这门学科发展很快,直到最近其发展势头仍未减弱,这点从历届稀薄气体     

跨声速绕流时薄翼后方扰动速度场的计算

本文以临界声速a为基准的跨声速非线性小扰动位流方程为出发方程,在垂直于来流的ζ=x平面将其变换成积分形式,并建立了跨声速绕流时薄翼后方的扰动速度场(侧洗场,下洗场)与满足线性小扰动位流方程的基元旋涡系所诱导速度场之间的关系,从而统一了亚、跨声速绕流时薄翼后方扰动速度场的计算方法。     

中等Reynolds数平板绕流的动理论分析

郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作.许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据.本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边 界层理论中的经典工作. 许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估, 评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据. 本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边 界层理论中的经典工作. 许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估, 评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据. 本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边 界层理论中的经典工作. 许多研究者对平板绕流阻力系数的郭永怀公式以及后续工作进行了 评估, 评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据. 本文的动理论分析和计算表 明: Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(郭永怀先生1953年给出的中等Reynolds数下、不可压缩流体有限长平板绕流的解析解是边界层理论中的经典工作.许多研究者对平板绕流阻力系数的郭水怀公式以及后续工作进行了评估,评估的依据是Janour与Schaaf和Sherman的实验数据.本文的动理论分析和计算表明:Schaaf和Sherman在低亚声速条件下(0.16相似文献   

水翼端部间隙泄漏流的压降及黏性损失机理

叶顶泄漏流产生的局部压降及黏性损失是导致轴流式水力机械效率下降和轮缘间隙空化的主要原因.为探明间隙泄漏流的黏性损失特性和低压形成机制,以NACA0009水翼为对象,采用超大涡模拟方法(VLES)对翼端间隙流动进行数值模拟,基于平均流动动能转换与输运分析,提出了间隙区黏性损失定量计算模型,研究了翼端间隙区湍动能生成、黏性损失和压降的产生机理及主要影响因素.结果表明,间隙区存在间隙分离涡(TSV)、间隙泄漏涡(TLV)和诱导涡(IV)等流动结构;湍动能生成是导致TSV内压降的主导因素,TLV内压降则主要受湍动能生成和平均动能的对流和扩散效应影响;湍动能耗散导致的翼端区域黏性损失占间隙区黏性损失总量的91.2%.间隙区不同流动结构对湍动能生成的影响存在明显差异,水翼吸力面的强剪切效应主要生成湍动能的■分量,而TLV, TSV和IV等间隙涡结构则主要生成湍动能的■和■分量;湍动能产生机制分析表明,湍动能生成项分量P_vw是TLV和TSV中湍动能生成的主导因素,减小TSV和TLV内的速度梯度■,可有效降低湍动能生成,进而减少翼端区域因湍流耗散导致的黏性损失.研究结果可为间隙流...     

高压捕获翼位置设计方法研究

高压捕获翼构型是一种合理利用机体/上置翼(简称捕获翼)间的耦合关系提高飞行器升力,进而大幅提高升阻比的高速飞行器新概念构型.基于其设计原理,捕获翼的位置与机体压缩激波和自身二次压缩激波的位置均直接相关,一般难以利用理论方法直接获得.针对这一问题,本文运用均匀实验设计方法在设计空间内获取样本点并利用计算流体力学分析和迭代获得其设计位置,之后通过构造代理模型建立捕获翼位置与设计参数间的模拟映射关系,进而发展了一种捕获翼位置设计的有效方法.在方法研究基础上以锥体-捕获翼组合构型作为实例对其进行验证.结果表明,该方法可在较大设计空间范围内准确判定捕获翼的设计位置.此外,针对这一构型还开展了基于代理模型的设计参数单因素分析.发现在设计空间内,前缘压缩角、来流马赫数、和捕获翼钝化半径等3个关键参数均与捕获翼位置呈单调正比例关系.      

超声速双层翼翼型的阻力特性研究

以布兹曼双层翼为基础,采用基于压力梯度自适应的非结构网格求解欧拉方程的计算流体力学(CFD)方法,计算分析了双层翼翼型的厚度和翼面间距对阻力特性的影响。在马赫数为1.7的情况下,由于激波的反射和干涉,超声速双层翼翼型的阻力系数仅为0.00189,为相同厚度菱形翼型的1/15。本文通过进一步的研究发现:减少翼型厚度对于双层翼翼型设计马赫数的阻力系数有一定的影响,且与超声速状态相比,厚度对于亚声速状态的阻力影响更大,厚度减少20%,亚声速状态的阻力系数减少可达60%以上;翼面间距对阻力特性的影响相对复杂,设计马赫数之前的阻力系数与翼面间距成反比,而设计马赫数之后的阻力系数与翼面间距成正比。在此基础上,基于激波的反射及干涉效应,提出了一种双设计状态的双层翼翼型,在最佳设计点之前,双层翼之间的激波/膨胀波会有两次反射,使翼型前后的压力基本相同,阻力系数出现一次下降。随着马赫数的增加马赫角减少,激波经过一次反射就能使翼型前后的压力基本相同,使翼型达到最佳设计状态。计算结果表明,双设计状态双层翼能够使双层翼翼型在两个设计点都具有较低的阻力系数。     

气体动理学统一算法中相容性条件不满足引起的数值误差及其影响研究

求解玻尔兹曼(Boltzmann) 模型方程的气体动理学统一算法(unified gas kinetic scheme,UGKS) 是为模拟存在显著稀薄气体效应流动而建立的. 在该方法中,如果速度空间离散采用传统的离散速度坐标法(discreteordinate method,DOM),将会导致相容性条件得不到严格满足,从而引入数值误差. 本文从理论分析及数值试验两方面说明了该数值误差,正比于来流马赫数,反比于来流努森数. 引入了守恒型的离散速度坐标法(conservativediscrete ordinate method,CDOM),在离散层面上确保了相容性条件得到严格满足. 圆柱绕流计算结果表明,来流马赫数较高、努森数较小时,相容性条件满足与否对计算结果影响较大,采用CDOM 可以在较稀的速度空间网格上得到网格无关解,缩减计算量最大可达2/3.      

钝头翼型和机翼跨音速绕流的渐近展开分析

本文利用渐近展开匹配法分析钝头翼型的跨音速绕流,导出了描述前缘附近流动的一级近似、二级近似下的速位方程、边界条件及相应的近似解析解,并构成关于翼表面速度的一致有效合成解,消除了跨音速小扰动近似的前缘奇性,对于大展弦比后掠翼绕流,可利用翼型绕流分析结果,消除机翼前缘奇性。     

湍流边界层流场与噪声实验研究

在重力式水洞中进行了水翼及半翼湍流边界层流场与噪声的实验研究。测量了水翼及半翼边界层附近的湍流脉动速度场;测量了半翼翼型表面三点处的压力脉动及其辐射噪声,测量了水翼内部测点的噪声及外部辐射噪声,在不同流速、不同攻角、光滑和粗糙翼面的情况下都进行了测量分析。试验结果发现,上述因素对模型的边界层湍流速度场有显著影响,15度攻角时,翼面附近湍流强度要比0度时大得多,粗糙翼面附近的湍流强度比光滑的大,而湍流强度随来流速度的变化不大,u(来流）方向和v方向的湍流强度量级相当;一般地,翼面压力脉动、翼内部噪声及外部噪声都是随来流速度的增大而增大,随攻角的增大而增大,粗糙翼面时的结果要比光滑翼面的大。从压力脉动与噪声测量结果与相应的流场测量结果比较可知,可以从湍流区域的湍流强度来判断出声源强度的定性变化。     

绕侧滑翼三维可压缩湍流边界层计算

本文从广义曲线坐标运动方程出发,以及根据Head的二维牵引理论(entrainment theory)模型导出沿侧滑翼法向翼剖面表面曲线的三维可压缩湍流边界层运动方程组。通过矩阵变换得到具有初值问题的常微分方程组的典型形式,用数值方法求解。 利用Thompson和MacDonaId关于侧滑翼前缘附着线(attachment linc)上的绕流计算结果作为求解微分方程组的初值。 本文方法可计算出边界层分离位置,各种边界层厚度,壁面摩擦应力,描绘出壁面流线与边界层边缘流线间的差异。 典型算例表明本文方法与实验结果符合得很好。     

研究多相介质运动的意义、内容和方法

本文从连续介质假设、守恒方程、本构关系和固壁上的边界条件等方面的分析出发,指出二相流体动力学虽是流体力学的一个分支,但在研究内容上与流体力学有较大差异,从分析二相流特点与稀薄气体、稠密气体、非平衡流动和可压缩流动特点之间的相似性出发,指出二相流研究可借鉴相关学科的研究成果和研究方法。本文用弛豫时间概念解释了二相混合物与均相混合物在运动特征上的差异,以及在描写运动的方法上（双流体模型和单流体模型等）的相应差异。最后以风沙运动、泥沙运动和泥石流运动为例,说明在二相流研究中突出主要因素进行合理简化的重要性,并指出：对于不同类型的二相流、对于具有不同流动参数的同类二相流、对于同一二相流的不同区域或不同的研究目的,简化的方法都会有所不同。     

临近空间高超声速气动布局研究

临近空间飞行器存在多种不同的布局形式,而针对不同气动布局概念之间的系统研究则相对缺乏．采用数值模拟方法,对临近空间飞行器三类典型气动布局概念--扁平升力体、翼身融合体和翼身组合体开展系统的计算与分析,通过对比不同布局的升阻特性、静稳定特性、舵效特性等,获得不同布局概念气动性能优劣的初步评估．结果表明：扁平升力体的升力和阻力比较大,升阻比最低,容积率则最大,侧向稳定性最好;翼身组合体的升力和阻力比较小,升阻比最高,容积率比较低,侧向静稳定性较差;翼身融合体布局的特性介于翼身组合体和扁平升力体布局之间．     

微型飞行器低雷诺数空气动力学

微型飞行器(MAVs)设计绝不是常规飞行器在尺度上的简单缩小,面临许多技术难题.其中微型飞行器低雷诺数空气动力学是其最为根本的技术瓶颈之一,也是当前受到广泛关注的热点之一.本文紧密结合微型飞行器技术,对这一领域中所面临的低雷诺数空气动力学问题和近两年来该方向国内一些新的进展进行了较为详细的介绍.按照MAVs飞行方式和结构特性进行分类,简单介绍微型飞行器研究中的低$Re$数空气动力学问题.首先介绍了二维和三维固定翼低雷诺数空气动力学问题:包括层流分离泡,翼型升力系数小攻角非线性效应,静态迟滞效应,以及低$Re$数小展弦比机翼气动特性.第2,介绍了拍动翼低雷诺数空气动力学方面的研究工作.包括前人提出的昆虫低$Re$数下获得高升力的多种非定常拍动翼飞行机制:Wagner效应、Weis-Fogh效应(clap-and-fling)、延迟失速效应(delayedstall)、Kramer效应(rotational forces)、尾迹捕获效应(wakecapture)、附加质量效应(addedmass)等.以及国内学者近几年在拍动翼方面取得的一些研究成果.第3,介绍了柔性翼低雷诺数气动问题.研究表明柔性翼对于固定翼微型飞行器提高抗阵风能力,拍动翼微型飞行器产生足够的升力和推力.最后简单介绍了可变形翼(morphingwing)微型飞行器方面的一些研究工作,指出微型飞行器技术可以通过采用可变形翼设计,突破众多的技术瓶颈.另一方面,可变形翼概念可以通过在低成本,低速的MAVs上进行飞行试验,获得非常好的验证平台.