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。     

激波冲击火焰的涡量特性研究

激波冲击火焰的现象涉及一系列复杂的物理化学过程,其中涡量的生成与演化对控制火焰发展起重要作用。为系统分析激波冲击火焰过程中的涡量特性,采用二维带化学反应的Navier-Stokes方程对平面入射激波及其反射激波与球形火焰作用的现象进行了数值研究,通过引入并行计算达到高网格分辨率的要求。计算结果表明,斜压项对火焰区内涡量生成起主导作用,压缩项和耗散项在火焰膨胀阶段抑制涡量生成,此外,火焰在激波压缩阶段主要受物理过程而非化学反应过程影响。     

支杆-钝头体带攻角流场和“军刺”挡板作用研究

通过三维N-S方程的数值求解, 研究了支杆-钝头体结构在10o攻角M∞=6.0飞行条件下的流场结构和特点, 指出其气动力特性恶化的原因, 提出采用``军刺'挡板改善流场和气动力特性, 并通过对比两种不同挡板作用下的流场和气动力特性变化分析其作用机理, 发现``军刺'挡板结构分割流场抑制三维效应形成的周向流动, 迎风面形成稳定的回流区和剪切层结构, 将迎风面锥激波推离轴线, 降低钝头体肩部流动结构相互作用强度, 并在一定程度上缓解背风面流动干扰, 明显改善支杆-钝头体带攻角飞行时的气动力特性.      

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。     

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。     

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     

激波与火焰的相互作用过程

基于带化学反应的Navier Stokes方程和有关的热力学和反应动力学数据,利用改进的VLS格式,对甲烷 空气混合物中激波与火焰的相互作用进行了数值模拟。根据计算结果,讨论了激波掠过火焰时的变形、分叉和发展,以及激波作用下火焰的失稳、变形、破碎和相应的带旋涡的流场。     

真实火箭射流冲击流场中激波结构的实验研究

本文采用一种有效的激光-莫瑞光栅干涉系统首次拍摄到真实火箭燃气射流冲击流场的激波结构.解决了长期以来无法拍摄到高温、高速、强火焰光的火箭射流流场图像的问题。利用这一系统,研究了射流冲击流场中激波结构的一些变化规律,发现了一些新的激波结构。较系统地研究了欠膨胀射流冲击各种锥体的激波形态。     

可压缩流向涡与激波轴对称干扰的数值模拟1)

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.     

激波管实验研究非均匀流场R-M不稳定性

利用激波管装置及马赫数为1.27的弱入射激波实验研究了SF6非均匀流场的R-M不稳定性。Air/SF6初始正弦界面由厚度为0.5μm的薄膜相隔得到,由阴影方法记录界面演化过程。实验结果表明:由于不稳定性,重流体(SF6)向轻流体(Air)演化成"尖钉"结构,而轻流体演化为"气泡"结构;由于界面切向速度差的Kelvin-Helmholtz不稳定性,"尖钉"头部翻转成蘑菇头形状;由于流场密度分布不均,低密度区流场扰动增长较快,扰动振幅发展的实验结果与PPM数值计算的结果较吻合。     

方孔障碍物对瓦斯火焰传播影响的实验与大涡模拟

为揭示置障管道内甲烷/空气预混火焰传播特性,运用高速摄影技术对甲烷/空气预混火焰的形状变化和火焰前锋的速度特性进行实验,并利用大涡模拟对管道内的流场结构进行数值分析。结果表明:置障管道内依次出现了球形火焰、指尖形火焰及“蘑菇”状火焰,且“蘑菇”状火焰出现之后,火焰开始反向传播;“蘑菇”状火焰是双涡旋结构与火焰前锋面相互作用的结果,而火焰的反向传播是由流场中出现逆流结构引起的;障碍物对火焰前锋有明显的加速作用;大涡模拟成功再现了实验中观察到的火焰形状、火焰前锋速度及流场结构,说明大涡模拟适用于置障管道内预混火焰传播特性的研究。     

超燃冲压发动机燃烧流场及火焰稳定初步研究

采用壁面燃料喷射并结合凹槽设施作为火焰稳定器是超燃冲压发动机设计的理想方案,本文采用非定常数值模拟研究了带凹槽的超燃冲压发动机壁面横向喷射乙烯的火焰稳定过程。结果表明:在燃烧室入口马赫数2、静温530K、静压0.1MPa条件下,冷流流场达到稳定所需时间约为2ms;当凹槽内喷油当量比为0.1时,火焰稳定模式为燃料尾迹和凹槽共同形成的回流区稳定模式;当凹槽内喷油当量比为0.315时,火焰稳定模式完全处于凹槽回流区稳定模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.05时,火焰稳定模式为凹槽回流区稳焰模式;当凹槽前端壁面注油当量比为0.2时,火焰稳定模式为射流回流区和凹槽回流区稳焰模式。     

地面效应影响下的高速火箭橇气动特性数值与风洞试验研究

精确预示地面效应下高速火箭橇的气动特性及流场规律对高速火箭橇的设计和评估具有重要意义。本文应用有限体积方法,研究了湍流模型对火箭橇气动特性计算精度的影响,建立了基于realizable k-ε湍流模型的火箭橇气动特性的高精度数值计算方法;结合风洞试验方法,研究了雷诺数和地面效应对高速火箭橇流场流动规律的影响,分析了火箭橇气动特性。结果表明,火箭橇阻力系数随雷诺数增大而减小,升力系数和俯仰力矩系数随雷诺数增大而增大,但雷诺数对高速火箭橇气动特性的影响较小;地面效应会使火箭橇流场发生激波-激波干扰、激波-边界层干扰和激波反复反射等复杂气动现象,大幅提升了火箭橇的升力系数和俯仰力矩系数,但对阻力系数的影响较小。研究为高速火箭橇气动外形的设计及运动稳定性的评估提供依据。     

探测器对超音速刚性盘-缝-带型降落伞系统的影响

研究了流体初始马赫数为 2.0 时, 探测器的存在与否对刚性盘-缝-带型降落伞系统气动减速性能以及流场流体结构特性的影响. 对于非定常可压缩流体的数值模拟, 流场采用了三层块结构自适应网格加密技术, 配合混合形式的TCD (tuned center difference)和WENO (weighted essentially non-oscillatory)计算格式以及基于拉伸涡亚格子模型的大涡模拟方法来处理超音速流中的激波以及大尺度湍流旋涡结构等. 结果表明: 无探测器时, 降落伞系统的流场结构稳定, 扰动较小; 有探测器存在时, 探测器后端的湍流尾迹和伞衣内部逆向运动溢出的流体与伞衣前端的弓形激波周期性的相互作用, 使得激波位置发生前移、激波倾角变小, 伞衣内部流场难以达到平衡稳定状态. 这加剧了降落伞系统的气动阻力振荡脉动变化, 降低了降落伞系统气动阻力系数, 同时也使得降落伞系统流场尾迹结构更加复杂.      

一种改进混合迎风格式在翼型流场激波捕捉中的应用

波阻是飞行器超音速飞行的关键设计因素,精确捕捉激波在流场中的位置,是数值模拟含激波流场和精确计算波阻的一个重要研究内容.本文基于网格节点有限体积空间离散方法,采用AUSM格式与FVS格式的混合格式(MAUSM方法)计算对流通量,从而抑制在数值模拟流场出现的激波处振荡和过冲现象,确保AUSM准确捕获接触间断的特性和FVS格式捕捉激波的能力.本文使用MAUSM方法分别计算了在跨声速和超声速条件下的NACA0012翼型流场,并与中心差分格式的计算结果进行比较.结果表明,对于存在激波的翼型流场,MAUSM方法是有效的.     

环形激波绕射、反射和聚焦流场的间断有限元模拟

采用间断有限元方法对环形激波在圆柱形激波管内绕射、反射和聚焦流场进行了数值模拟。将二维守恒方程的间断有限元方法发展到轴对称Euler方程,并对环形激波绕后台阶流动进行了数值计算。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉运动激波在圆柱形激波管内传播的复杂流场结构;在聚焦点附近,数值解具有较大的梯度变化,表明该方法对间断解具有较强的捕捉能力,在聚焦点附近不会产生振荡或抹平间断现象。     

多次激波诱导正弦扰动预混火焰界面失稳的数值研究

激波诱导火焰失稳是实际中常见的现象,为深入研究火焰失稳特性,采用三维单步化学反应的Navier-Stokes方程和9阶weighted essentially non-oscillatory (WENO)的高精度格式,对不同马赫数的入射激波及其反射激波多次诱导正弦型预混火焰界面失稳的现象进行了三维数值模拟,并对计算结果的可靠性进行了验证。研究结果显示,在激波的多次作用下,火焰界面的演变过程主要受Richtmyer-Meshkov (RM)不稳定特性和化学反应特性的双重影响,且随着入射激波强度的增强,上述2种特性均得到进一步强化。为构造体现反应性RM不稳定特性的参数,根据火焰界面混合区平均涡量和化学反应速率,提出了表征界面受不稳定性和化学反应影响的量纲一参数。通过分析发现,在同一入射激波强度下,该参数的对数形式随入射激波和反射激波的多次作用呈基本相同的线性增长趋势;对不同马赫数的入射激波,该参数对数形式的线性增长率也基本一致。这样的变化表明该量纲一参数能够反映反应性RM不稳定过程中火焰界面发展的内在规律。     

激波诱导火焰变形、混合和燃烧的数值研究

为了深入研究激波诱导的火焰变形以及由此带来的混合和燃烧变化特性,采用带单步化学反应的Navier-Stokes方程和高网格分辨率,对平面入射激波及其反射激波诱导球形火焰变形的现象进行了二维数值研究,计算结果与实验结果较好吻合。研究结果显示,在反射激波作用前,火焰的变形和皱褶主要受入射激波诱导等物理过程影响;而在反射激波与失稳火焰作用后,燃烧放热率、火焰有效面积和界面长度均迅速增加,控制火焰变形的机制逐渐向化学反应(燃烧)过程过渡;在失稳火焰发展的后期,增强的燃烧过程能够削弱火焰界面的皱褶,进而抑制未燃气和可燃气的混合。由此可以得出结论,激波诱导的火焰界面通过变形可促进界面两侧未燃气与可燃气的混合,进而强化燃烧过程,但燃烧的增强却反过来能抑制混合;认识两者之间的关系有助于利用或控制激波 火焰相互作用过程。     

竖直平面激波与水平热层作用后流场的理论计算方法研究

围绕竖直平面激波与固壁附近水平热层作用问题,提出了流动进入准自相似阶段后固壁附近流场参量的理论计算方法。与已有的Mirels方法相比,本文的方法在下列三个方面进行了改进:（1）舍弃“热层内激波速度与入射激波速度相等”的假定,分析了热层内激波的传播过程,并基于几何激波动力学理论计算热层内激波强度;（2）假定在与入射激波后流体而非入射激波阵面固连的坐标系中,波后流体在定常等熵波作用下,形成沿固壁运动的“活塞”,驱动其前方的热层气体运动;（3）“活塞”内流体与其毗邻的热层气体满足压力和速度连续,不再引入速度比例系数。利用改进后的方法,对于马赫数为2.00的竖直平面激波,在不同热层密度条件下进行计算。本文方法得到的热层内激波强度以及物质界面处的压力、速度和密度等参量,与数值模拟结果偏差均小于10%,优于Shreffler和Mirels计算方法。对于马赫数为1.36的竖直平面激波,当其传播速度小于热层内气体声速时,Shreffler和Mirels计算方法不再适用,而本文中提出的方法得到的计算结果与数值模拟结果和已有实验数据基本吻合,最大偏差约20%。上述结果表明,本文中提出的理论计算方法提高了现有方法的合理性,扩大了适用范围。     

环形激波聚焦流场特性的数值研究

针对环形激波聚焦过程产生的高温、高压特性,采用间断有限元方法模拟了环形激波在同轴圆柱 形激波管内的聚焦流场特性。计算结果表明,采用间断有限元方法能够有效地捕捉激波聚焦过程形成的二次 激波、涡环、三波交点和球面双马赫反射等主要流动特征。此外,通过改变环形管道内外半径对聚焦流场进行 模拟发现,环形管道外径对中心轴线上聚焦峰值压力的大小和位置影响较小,环形管道内径对中心轴线上聚 焦峰值压力的大小和位置影响较大。计算结果可以为工程应用提供一定的理论指导。