辐射平衡壁温下有限催化模型数值模拟

文章发展了高超声速飞行器辐射平衡壁温下有限催化的数值方法,将数值模拟结果与基于返回舱外形的风洞实验数据进行了对比,并进一步针对典型高超声速飞行器钝双锥研究了辐射平衡壁温下有限催化对气动热环境的影响规律.针对返回舱外形的数值实验表明,完全催化与完全非催化边界条件下壁面热流密度均与风洞实验结果偏差较大,而采用合适的有限催化模型获得的壁面热流密度与风洞实验结果符合良好.针对典型高超声速飞行器钝双锥的研究表明,在辐射平衡温度边界条件下驻点附近氧原子的催化复合系数约为0.17,氮原子的催化复合系数约为0.026,大面积区则分别降为0.005 3和0.01.在驻点热流密度方面,完全催化的壁面热流峰值比有限催化高约21%,而完全非催化的壁面热流峰值比有限催化低约29%.      

火星进入热环境预测的热力学模型数值分析

采用数值模拟目的 研究不同热力学模型中火星飞行器表面的热环境.研究发现,驻点区域流动近似为热力学平衡,随着飞行高度增加,流动逐渐偏向热力学非平衡.当壁面为非催化壁时,不同热力学模型所得热流基本一致,当壁面为完全催化壁时,热力学非平衡模型所得热流更高,这种差异由化学反应特征温度差异引起,并随着流动的热力学非平衡特性增加而增加.     

迎风TVD格式在粘性流计算中的应用研究与改进

首先以高超声速钝楔绕汉热流计算和Ｍ∞＝２．０、激波角θ＝３２．５８°的平板激波附面层干扰分离流动计算,研究了迎风ＴＶＤ格式的粘性特性、发现即使在很小的物面网格下,原有格式计算驻点热流仍较实验和文献结果低,激波附面层干扰的分离区小于实验值,原因主要在于熵修正公式。针对这些不足提出了新的熵修正公式,用改进后的格式重新计算,得到了与实验符合较好的结果。最后用改进的格式对分离流动的壁面温度控制效应进行了研     

CH4/空气简化动力学机理数值验证

选择绕圆柱预混燃烧算例，验证CH₄/空气三种简化动力学机理（16s41r、15s19r和53s325r）.考虑均匀来流，忽略湍流和湍流与燃烧相互作用以及燃料扩散效应，假设层流有限反应速率，采用保自由流5阶WENO格式求解多组分Euler方程组，得到CH₄/空气预混燃烧流场温度等值线、沿驻点线压力和温度及其CH₄、CO和CO₂质量百分数分布.结果表明：三种简化动力学机理给出的流场均出现弓形激波和火焰面，弓形激波和火焰驻点距离及其形状、诱导区宽度和简化动力学机理相关.当圆柱直径增大，弓形激波和火焰向圆柱上游移动，对应的驻点距离均增大，诱导区宽度变短，点火延时变小，但火焰和弓形激波位置次序未变化.53s325r模型要比16s41r模型和15s19r模型精度要高，点火延时覆盖的压力和温度范围也较宽，所有简化机理均未完全反应，在较大圆柱直径下游达到化学平衡.     

尖化前缘的稀薄气体化学非平衡流动和气动加热相似律研究

以近空间尖前缘高超声速巡航飞行器的研制为背景, 作者在前一阶段采用模型理论分析方法, 陆续研究了沿微钝前缘驻点线的化学非平衡流动和气动加热相似律, 文章是上述研究的综合回顾和深化讨论.稀薄条件下, 驻点附近流动和传热出现一系列与连续流动模型不同的新特征, 超出了经典气动热预测理论的适用范围.作者建立了一个沿驻点线能量传递和转化的广义模型, 并分别推导了具有实际物理意义的边界层外离解非平衡流动判据和边界层内复合非平衡流动判据.基于这些判据构建了预测非平衡流动驻点气动加热的桥函数, 并讨论了稀薄非平衡真实气体流动和气动加热的相似律, 发现新型近空间尖前缘飞行器遭遇的气动热环境不同于传统大钝头航天器再入问题, 传统的天地换算相似准则将会失效.这些理论分析结果可为稀薄非平衡化学反应流及气动加热的实验和计算提供一个标模检验的手段.      

壁面催化对再入飞行器等离子体鞘套及电磁参数的影响

针对超高声速流动中的高温真实气体效应,采用数值模拟求解考虑化学非平衡的三维Navier-Stokes(N-S)方程,研究了壁面催化对典型再入飞行器等离子体鞘套及电磁参数的影响规律.研究发现:(1)完全催化壁条件下等离子体密度计算结果与飞行试验符合较好;(2)完全催化壁条件下,离解原子在壁面的复合导致波后气体可压缩性增强...     

高精度格式WCNS-E-5计算物面热流

采用加权紧致非线性格式WCNS-E-5,四阶精度的二阶导数差分近似以及四阶精度的边界格式构造了高精度算法,对高超声速粘性流动的物面热流进行数值研究.首先考察了壁面网格雷诺数对驻点热流的影响,然后开展了边界格式对热流计算结果影响的研究,最后对大攻角钝锥绕流进行了数值模拟.研究结果表明:WCNS-E-5能降低边界层内网格分辨率,全场高精度的WCNS-E-5计算得到的流场图像清晰、真实、分辨率高,热流值准确、可靠.     

双锥/双楔流动中的高温气体效应仿真模拟

在高超声速飞行和再入地球大气过程中, 气体分子的振动、电子态激发, 伴随离解、电离反应, 从而产生高温真实气体效应。不同数值方法对高温真实气体效应的模化会造成气体热物性参数的差异, 从而对流场模拟引入不确定度。以高超声速的双锥/双楔流动为例, 通过计算流体力学方法和直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法, 研究高温真实气体模型对复杂干扰流动的预测能力。结果表明, 有别于量热完全气体, 若考虑真实物理过程的热化学非平衡过程带来气体热力学性质、输运特性的变化, 会导致激波角、边界层厚度、分离区尺寸等流动结构的改变。因此, 在研究高超声速模拟中应注意数值模型的正确应用。      

进入轨道偏差对火星科学实验室气动力特性的影响

针对火星科学实验室(MSL)高超声速进入过程,利用三维并行程序求解流体力学Navier-Stokes方程,耦合真实气体模型,分析火星大气中真实气体效应对进入器气动力特性的影响量在进入轨道发生偏差时的变化规律.结果表明:对海盗号的计算结果与飞行数据符合很好,验证了火星大气真实气体模型和计算方法;真实气体效应影响下,激波层厚度大为减小,温度下降明显,进入器阻力系数明显增加,升力系数变化不大,俯仰力矩系数增加,基准状态下配平攻角较完全气体减小约2.2°;高度不变,Ma数增加导致阻力系数和俯仰力矩系数增大,配平攻角和完全气体的差值由1.6°增加到2.6°,表明Ma数变大时真实气体效应引起的气动力变化增强;Ma数不变,高度增加略微减弱波后化学反应,对进入器气动力特性基本没有影响.     

内聚锥形激波的非均匀强化与结构演变特征

以高超声速内转式进气道流动中的激波汇聚问题为背景,考虑工程实际中的来流和壁面几何条件这两个关键因素,分别提出了以来流攻角为研究参数的非轴向来流内锥流动模型,和以长/短轴比为研究参数的椭圆入口内锥流动模型.采用激波风洞实验观测和数值模拟相结合的方法,揭示了两类流动中激波的非均匀汇聚特征.结果表明:由来流攻角引起的激波初始...     

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.      

Comparative study on aerodynamic heating under perfect and nonequilibrium hypersonic flows

In this study, comparative heat flux measurements for a sharp cone model were conducted by utilizing a high enthalpy shock tunnel JF-10 and a large-scale shock tunnel JF-12, responsible for providing nonequilibrium and perfect gas flows, respectively. Experiments were performed at the Key Laboratory of High Temperature Gas Dynamics(LHD), Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences. Corresponding numerical simulations were also conducted in effort to better understand the phenomena accompanying in these experiments. By assessing the consistency and accuracy of all the data gathered during this study, a detailed comparison of sharp cone heat transfer under a totally different kind of freestream conditions was build and analyzed. One specific parameter, defined as the product of the Stanton number and the square root of the Reynold number, was found to be more characteristic for the aerodynamic heating phenomena encountered in hypersonic flight. Adequate use of said parameter practically eliminates the variability caused by the deferent flow conditions, regardless of whether the flow is in dissociation or the boundary condition is catalytic. Essentially, the parameter identified in this study reduces the amount of ground experimental data necessary and eases data extrapolation to flight.     

土卫六探测器高超声速化学非平衡特性数值计算

为了研究土卫六探测器在地球大气和土卫六大气中飞行时气动热环境的差异,采用数值模拟的方法分别对地球大气成分和土卫六大气成分下探测器前方流场内气动热环境进行了研究,得到如下结论:与地球大气条件相比,土卫六大气条件下探测器表面的热流密度较高,其峰值可达到地球大气条件的1倍以上.探测器表面的热流密度先随着高度的减小而增加,而后...     

On the mechanism of flow evolution in shock-tube experiments

The paper studies numerically the flow development behind the shock wave propagating inside the tube. The detailed analysis of the flow patterns behind the shock wave allows determination of the gas-dynamical origins of the temperature non-uniformities responsible for the subsequent localized start of chemical reactions in the test mixture. In particular, it is shown that the temperature field structure is determined mainly by the mechanisms of boundary layer instability development. The kinetic energy dissipation related to the flow deceleration inside boundary layer results in local heating of the test gas. At the same time, the heat losses to the tube wall lead to the cooling of the gas. Therefore the temperature stratification takes place on the scales of the boundary layer. As soon as the shock wave reflected from the end-wall of the tube interacts with the developed boundary layer the localized hot regions arise at a certain distance from the end wall. The position of these hot regions is associated with the zones of shock wave interaction with roller vortices at the margin between the boundary layer and the bulk flow. Formulated mechanism of the temperature field evolution can be used to explain the peculiarities of non-steady shock-induced ignition of combustible mixtures with moderate ignition delay times, where the ignition starts inside localized kernels at distance from the end wall.     

正冲击波后固壁表面颗粒的上升运动

为揭示固壁表面颗粒的冲击波夹卷本质,模拟垂直于固壁表面的正冲击波后单个颗粒的上升运动.假定颗粒初始时刻处于气载状态(因波的反射或碰撞离开壁面),受Saffman升力、气动阻力和重力作用.模型方程为波后定常气流边界层方程和颗粒运动常微分方程,分别用单参数法和四阶龙格库塔法求解.计算颗粒速度与轨迹表明:颗粒的冲击波卷扬动力...     

Numerical simulations of shock-wave interaction with a boundary layer in the plane supersonic flows with jet injection

A supersonic air flow in a plane channel with a transverse turbulent jet of hydrogen injected through a slot on the bottom wall is simulated. The algorithm for solving the Favre-averaged Navier-Stokes equations for the flow of a perfect multispecies gas on the basis of the WENO scheme is proposed. The main attention is paid to the interaction of the shock-wave structure with the boundary layers on the upper and lower duct walls under the conditions of an internal turbulent flow. Namely, a detailed study of the structure of the flow is done, and separation and mixing depending on the jet slot width are investigated. It is found that in addition to well-known shock-wave structures produced by the interaction of the free stream with the transverse jet and the bow shock interaction with the boundary layers near the walls, an additional system of shock waves and the flow separation arise on the bottom wall downstream at some distance from the jet. The comparison with the experimental data is performed.     

稀薄气体二维外部柱体绕流特性研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗方法对稀薄气体二维外部柱体绕流问题进行了数值模拟。结果表明:外部绕流问题,在特定情况下会产生激波,激波的产生,不仅与气体的稀薄程度有关,还与来流马赫数有关。而气流与壁面之间的换热,随来流马赫数增加而增加,随气体稀薄程度增加而减小。