平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究

采用三维守恒清晰界面数值方法, 研究平面激波冲击并排液滴的动力学过程. 研究的焦点在于激波接触液滴后的复杂波系结构生成, 以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化. 首先, 分析并排液滴之间界面通道内的波系结构发展, 发现在冲击初期由于反射激波相交而形成新的反射激波以及马赫杆; 这些流动现象与液滴另外一侧 (非通道侧) 由激波反射所形成的弯曲波阵面截然不同, 而且所导致的液滴横向两侧流场差异是中后期冲击过程液滴两侧界面非对称演化的主要原因. 其次, 研究冲击中期时, 特别是入射激波已运动至液滴下游并远离并排液滴, 界面形态的演化过程和规律, 揭示通道下游出口处由于气流膨胀导致的界面闭合、以及随后气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象. 最后, 研究液滴间距对并排液滴相互作用的影响规律, 发现液滴间距大小与通道内压力峰值具有明显的关联关系. 研究表明, 更小的液滴间距不仅带来更大的压力峰值, 而且使得峰值出现的时间更早.      

带喷流激波针流动特性实验研究

采用动态测力、动态测压和纹影等风洞实验技术,对加装了带喷流激波针的钝头体的绕流特性、稳定和非稳模态的形成条件和机理进行了研究.结果表明:带喷流激波针流场存在稳态和非稳态两种模态,超声速喷流的压比大于临界压比时流动处于稳定模态,反之则为非稳模态;增大激波针长度可减小钝头体阻力,但达到一定长度后,进一步减阻的效果不再显著;增大喷流压比能够有效减弱再附激波强度,有利于缓解单独激波针的肩部热斑问题;非稳模态下波系自激振荡对再附激波在钝头体表面所围的区域影响剧烈,振荡是周期性的,且存在确定的主导频率,主导频率随喷流压力比增大而减小;自激振荡的产生是由于喷流出口周围的反压在喷流压比小于临界压比时无法获得持续的平衡而导致.      

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全. 从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响. 分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究. 并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征. 结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著. 但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值. 涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms. 此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%. 流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.      

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全.从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响.分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究.并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征.结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著.但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值.涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms.此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%.流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.      

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.     

煤油液滴直径对两相旋转爆轰发动机流场的影响

为探究煤油液滴不同初始直径对气液两相旋转爆轰发动机流场的影响,假设初始注入的煤油液滴具有均匀直径,考虑雾化破碎、蒸发等过程,建立了非定常两相爆轰的Eulerian-Lagrangian模型,进行了液态煤油/高温空气爆轰的非预混二维数值模拟。结果表明：在初始液滴直径为1～70μm的工况范围,燃烧室内均形成了单个稳定传播的旋转爆轰波;全局当量比为1时,爆轰波前的空气区域大于液滴煤油的蒸气区域,导致波前燃料空气混合不均匀,波前均存在富油区和贫油区,两相速度差导致分离出的空气形成低温条带;当煤油液滴的初始直径较小时,波前的反应物混合过程主要受蒸发的影响,爆轰波可稳定传播;当直径减小至1μm时,煤油液滴在入口处即蒸发,旋转爆轰波表现为气相传播的特性,爆轰波结构平整;当煤油液滴的初始直径较大时,波前的反应物混合过程主要受液滴破碎的影响;对于相同的燃料质量流量,在不同初始煤油液滴直径工况下,煤油液滴最大的停留时间均占爆轰波传播时间尺度的80%以上;爆轰波前燃料预蒸发为气相的占比越高,爆轰波的传播速度越高;初始液滴直径为10～70μm的工况范围内,爆轰波的速度随初始直径的增大先升高后降低。     

激波诱导气流与液幕、液柱相互作用的实验研究

利用激波管对激波诱导气流与液幕、液柱的相互作用进行了实验研究。通过比较发现,这种相互作用下的液体块变形破碎过程与以往对于液滴进行的研究结果很不相同。当激波与液幕相互作用时,阴影照片和直接照相都表明,液幕的变形破碎行为有很强的三维性,较之液滴的变形破坏机理更为复杂,并且在局部区域,初始时刻液幕破碎抛撒的速度相较激波诱导气流速度为快,本文应用一维变截面激波管理论对这一现象进行了理论分析。     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性.首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性.在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比.研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.     

激波诱导火焰失稳与爆轰的条件研究

采用九阶WENO和十阶中心差分格式数值求解激波与火焰作用过程,考察了激波强度、火焰尺寸对激波与球形火焰作用过程的影响。结果表明,增大激波强度或火焰尺寸均可在流场中引发爆轰,但激波强度的影响更大,并且其引发的爆轰可使火焰迅速膨胀,放热率提高,从而影响燃烧特性;此外,爆轰波传播过程中会迅速消耗可燃预混气,合并原有的反射激波,并在流场中形成局部高压区,极大地改变流场结构。     

气体-燃料液滴两相系统爆轰的数值模拟

用两相流体力学模型对气体 燃料液滴系统进行了研究。数值模拟了点火后两相系统爆轰波的发展过程，得到爆轰波的结构和参数。数值模拟结果表明气体 燃料液滴系统爆轰波有较宽的反应区，因而两相爆轰波的曲率对爆速的影响效应十分明显。进行了燃料液滴尺寸对爆轰波的结构和参数的影响的数值模拟。除了很小的液滴外，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间不能完全气化。随着液滴尺寸的增加，燃料液滴在爆轰波前导激波面和ＣＪ面间释放出的能量随之减少，爆轰参数也随之下降。     

流场非均匀性对非平面激波诱导的Richtmyer-Meshkov不稳定性影响的数值研究

基于Navier-Stokes方程组,采用可压缩多介质黏性流动和湍流大涡模拟程序MVFT (multi-viscousflow and turbulence),模拟了均匀流场与初始密度呈现高斯函数分布的非均匀流场中马赫数为1.25的非平面激波加载初始扰动air/SF6界面的Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定性现象。数值模拟结果表明,初始流场非均匀性将会影响非平面激波诱导的RM不稳定性演化过程。反射激波加载前,非平面激波导致的界面扰动振幅随着流场非均匀性增强而增大;反射激波加载后,非均匀流场与均匀流场条件下的界面扰动振幅差异有所减小。进一步,定量分析流场中环量分布及脉动速度统计量揭示了前述规律的原因。此外,还与平面激波诱导的RM不稳定性进行了简单对比,发现由于非平面激波波阵面区域的涡量与激波冲击界面时产生的涡量的共同作用,使得非平面激波与平面激波诱导的界面失稳过程存在差异。     

圆球诱发斜爆轰波的数值研究

斜爆轰发动机是飞行器在高马赫数飞行条件下的一种新型发动机,具有结构简单、成本低和比冲高等优点.但是斜爆轰发动机的来流马赫数范围广,来流条件复杂,为实现斜爆轰波的迅速、可靠引发,采用钝头体来诱发.利用Euler方程和氢氧基元反应模型,对超声速氢气/空气混合气体中圆球诱导的斜爆轰流场进行了数值研究.不同于楔面诱发的斜爆轰波,球体首先会在驻点附近诱发正激波/爆轰波,然后在稀疏波作用下发展为斜激波/爆轰波.模拟结果显示,经过钝头体压缩的预混气体达到自燃温度后,会出现两种流场:当马赫数较低时,由于稀疏波的影响,燃烧熄灭,钝头体下游不会出现燃烧情况;而当马赫数较高时,燃烧阵面能传到下游.分析表明,当钝头体的尺度较小时,驻点附近的能量不足以诱发爆轰波,只会形成明显的燃烧带与激波非耦合结构;当钝头体的尺度较大时,流场中不会出现燃烧带与激波的非耦合现象,且这一特征与马赫数无关.通过调整球体直径,获得了激波和燃烧带部分耦合的燃烧流场结构,这一流场结构在楔面诱发的斜爆轰波中并不存在,说明稀疏波与爆轰波面的相互作用是决定圆球诱发斜爆轰波的关键.     

Y型微通道两相流内部流动特性

利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y 型微通道内液滴的形成. 主要考虑了Y 型角度（45°,90°,135°,180°）、两相流量大小等因素的影响. 发现在挤压机制中,Y 型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相的剪切作用,Y 型角度越小,分散相所受到的剪切作用越大. 在液滴生成过程中,连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布. 当Y 型角度小于180°时,角度的变化对液滴直径大小影响较小,但角度的减小会加快液滴的生成时间. 当Y 型角度为180°时,生成的液滴体积最大且生成时间最长. 毛细数对液滴直径和生成时间的变化同时产生影响,连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中,导致分散相更易破裂.      

秦岭公路隧道2号竖井地应力与岩爆分析

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究. 利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波 与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速 度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载 比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响. 试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波, 其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关; 激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出, 在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.     

激波驱动的气固两相流的动态压力测量

利用水平圆柱形激波管对激波驱动的可压缩性气固两相流进行了试验研究.利用压电式压力传感器、电荷放大器、示波器及计算机组成的压力信号测试系统, 对激波与颗粒作用前后的气相参数进行测量及分析. 试验中测得了激波在管中的传播速度, 波后气流的压力, 反射激波、透射激波的压力和速度等. 分别考察颗粒、装载比、驱动气源以及入射激波马赫数等因素的差异对气相参数的影响.试验结果表明: 激波与颗粒群相互作用时, 会产生反射激波和透射激波,其强度与驱动气源、颗粒大小、颗粒装载比等参数有关;激波衰减率随着装载比、马赫数的增大而减小. 研究指出,在颗粒群被激波加速的初始阶段, 颗粒间的弹性碰撞起着重要的作用.      

前向爆轰驱动变截面激波管特性的数值模拟

讨论的激波管由氢氧前向爆轰产生高压驱动气体、并配有收缩截面段,它能产生高焓超高速气流.对此进行了模拟.既对变截面角度的作用,两端截面积比的作用又对比正向反向爆轰有何不同效果做了探讨.正向爆轰时主膜处的收缩段产生的汇聚作用既加强主激波又产生反向激波,缓解了爆轰波阵面后紧跟着的稀疏波导致主激波衰减偏快的不利影响.当收缩角度在30°和45°之间时,主激波的强度较高,衰减较小;当β接近90°时在主激波传播过一小段距离之后,主激波后高温高速气流较均匀,且主激波的衰减最小,具有实用价值.驱动段与被驱动段的截面积比越大,主激波的强度越高,但是最初阶段衰减也越快.反向爆轰时产生的主激波衰减最缓,但是同样的主激波强度需要的驱动段与被驱动段初始压力比前向爆轰高1个量级.     

一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析

临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大, 在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象, 流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关. 通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼?恩斯科近似解, 构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程, 并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性, 证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性, 给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系, 基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式. 在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动, 并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析, 结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置, 尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好, 验证了新模型的有效性和可靠性, 同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响.      

两相介质中火焰诱导激波现象的研究

基于双流体模型，采用跟踪法处理火焰内边界，ＴＶＤ格式计算气相激波，ＭａｃＣｏ－ｍａｃｋ格式计算颗粒相流场，对两相可燃介质中火焰诱导激波现象进行了理论分析与实验模拟，研究了颗粒相参数对火焰诱导激波现象的影响。     

液滴在激波冲击下的破裂过程

对液滴在入射激波作用下的变形破碎过程进行了实验研究和数值模拟,得知数值模拟结果与实验结果基本吻合,以及在什么情况下两者出现分歧。结果显示,液滴在激波的作用下要经历从压缩变形、RM不稳定性变形、细小液雾剥离到全部雾化破碎等过程。结果还表明,不同液滴直径、入射激波马赫数和液滴介质等参数下的液滴变形破碎的发展趋势是一致的,而其发展速度明显则不同。其中Weber数的增加加速了液滴的破碎,而Ohnesorge数和黏性的增加则抑制了液滴的破碎。