脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

激光能量注入控制Ⅳ型激波干扰的数值研究

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰,有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法,在来流马赫数为3.45的条件下,计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明:单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50~60μs),钝头体表面压力突然升高,随后压力有一个较为明显的下降过程,然后恢复原状态;当注入的连续激光能量较小时,钝头体表面压力略微增大,随着注入能量增大,钝头体表面压力峰值减小;在注入能量到一定程度时,钝头体表面压力峰值减小已不明显。     

激光能量主动控制高超声速进气道研究现状

以注入激光能量的方式对高超声速进气道进行主动流动控制是提高超燃冲压发动机性能的一种重要方法。回顾了国际学者针对斜激波相互作用、Edney IV型激波相互作用和来流捕获这3项内容的控制方法和结果,为国内主动控制高超声速流场的研究提供了有益参考。     

激光能量注入控制Ⅳ型激波干扰的数值研究

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰,有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法,在来流马赫数为3.45的条件下,计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明:单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50～60 s),钝头体表面压力突然升高,随后压力有一个较为明显的下降过程,然后恢复原状态;当注入的连续激光能量较小时,钝头体表面压力略微增大,随着注入能量增大,钝头体表面压力峰值减小;在注入能量到一定程度时,钝头体表面压力峰值减小已不明显。     

纳秒脉冲激光能量沉积激波减阻机理数值研究

为详细揭示纳秒单脉冲激光能量沉积激波减小波阻的机理,分别研究了单脉冲激光能量沉积与正激波相互作用、单脉冲激光能量沉积与弓形激波超声速流场相互作用。鉴于常用数值模拟方法不考虑空气的离解和电离,不能合理模拟激光能量沉积诱导等离子体热核的空间分布,采用泪滴形能量分布,且耦合有限速率化学反应模型,所得到的激波和热核演化过程的数值模拟结果与实验吻合程度高,验证了所提出模拟方法的合理性。分别选取马赫数为1.92条件下的正激波和弓形激波,入射激光能量大小为10.1 mJ和12 mJ,研究表明:单脉冲激光能量沉积诱导形成的等离子体热核通过正激波后,形成上下对称的涡环结构;在弓形激波条件下,在波后形成的低压涡环引起波阻减小,这是激波减阻的主要机理。     

高重频激光能量注入提高进气捕获率的数值研究

针对来流马赫数低于设计值时,吸气式冲压发动机进气道进气捕获率降低的问题,在唇口上游沉积高重频激光能量使气流偏折以提高进气捕获率。在马赫数为5.0、静压和静温分别为2 551.6 Pa和116.7 K的条件下,通过求解二维非定常可压缩RANS方程,数值研究了高重频激光能量注入提高进气捕获率的作用机制,通过在预想最优能量沉积点附近寻优的方法确定了最佳的能量注入点,结果表明:在该位置沉积频率100 kHz、平均功率500 W的激光能量形成的虚拟唇口可以使来流捕获率由63%提高至97%。结果证明了高重频激光能量注入提高进气捕获率的潜在应用价值,并为能量注入位置的优化选择提供了方法。     

激光能量注入位置对进气道马赫反射影响数值研究

超声速进气道存在双尖楔结构,在非设计工况下,可能出现马赫反射现象。利用激光能量注人流场产生等离子体,可以改变马赫反射结构,降低马赫杆高度,甚至使马赫反射完全转变为正规反射,达到减少总压损失的目的。基于这种方法,本文在等离子体区域形状和激光能量相同的情况下,计算了马赫数为3．45时,不同的激光能量注入位置对双尖楔简化模型形成的马赫反射结构的影响。计算结果和分析表明,适当增大激光能量注入位置与马赫杆的距离,并减小其与上游斜激波的距离,将有助于降低马赫杆高度,提高激光能量对马赫反射结构的控制效果。     

基于热力循环的激光微推力发动机特性研究

以微小卫星姿轨控为任务的激光微推力器是近些年激光推进技术应用研究的热点。在激光微推力发动机热力循环分析的基础上,研究影响激光微推进热力循环效率的因素,提出了通过改变激光功率密度和靶材掺杂特性来同时提高比冲和冲量耦合系数的方法,实验验证了激光功率密度和靶材掺杂对发动机性能影响的规律。结果表明,激光与靶材的特性共同决定了热力循环效率的高低,激光功率密度的提高能够增加产生激波波后的压力,一定程度上提高比冲,却会使冲量耦合系数下降;掺杂能够增强靶材对激光能量的吸收,使比冲和冲量耦合系数都提高,而两者都能够一定程度上提高激光微推力发动机的热力循环效率。     

激光等离子体热核与激波相互作用的流动特性研究

激光等离子体热核与正激波相互作用是复杂激光减阻科学问题中最基本的物理现象。建立了基于激波管和激光能量沉积的实验平台，利用高精度纹影系统捕捉了激光等离子体热核在正激波冲击下的流动结构特性。实验结果表明:激光等离子体热核界面变形，弯曲并最终形成双涡环结构，展向尺寸迅速增大然后降低并逐渐稳定在7.7 mm左右，流向尺寸先降低然后在激波离开热核之后以114.3 m/s的速度线性增长，从微观层面进一步揭示了激光减阻机理，对等离子体主动流动控制的相关研究具有很好的借鉴参考价值。     

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。