基于POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩, 在风洞中, 对平板模型进行了M=5的实验, 在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中, 发展了单点POD分析方法.经验证, 使用该方法重构数据的均方根(root mean square, RMS)峰值位置可表征转捩位置, 实用性强.      

基于Ludwieg管的高超声速边界层转捩实验

高超声速边界层层/湍流转捩是高超声速飞行器气动力和气动热设计中的难点和热点问题.为了降低开展高超声速边界层不稳定性与转捩实验研究的门槛,研究基于Ludwieg管原理设计并建造了一座Mach 6高超声速管风洞,重点对Ludwieg管风洞的启动和运行过程开展了数值模拟,分析了储气段弯管布局对试验段流场的影响;之后,对该高超声速风洞的自由来流品质进行了静态和动态的标定,验证了风洞的设计Mach数,并给出了流场的动态扰动特征;最后,基于7°半张角尖锥标模开展了高超声速边界层转捩实验,通过表面齐平式安装的高频PCB传感器获得边界层不稳定波,分析了高超声速边界层不稳定波的演化特征.以上工作表明,Ludwieg管相对常规高超声速风洞具有建设和运行成本低、运行效率高、流场品质好等优点,适合开展高超声速边界层转捩等基础实验研究.      

高超声速飞行器气动热环境的化学非平衡效应数值研究（英文）

针对高超声速飞行器气动热环境的化学非平衡效应进行数值模拟.首先以二维圆柱钝体为模型,采用三种气体模型比较和分析化学非平衡效应对气动特性和气动加热特性的影响;接着以三维球头钝体为模型,进一步分析化学非平衡效应及壁面催化特性对气动加热特性的影响.分析表明,化学非平衡效应对压力分布的影响不大;但它能显著缩短激波脱体距离,更重要的是,能大幅降低波后温度,对飞行器气动热环境产生深远影响.另外,壁面催化特性对传热也有较大的影响,对壁面材料催化进程的有效控制可以大幅降低壁面传热.     

尖楔模型结构对脉动压力测量影响实验研究

高超声速边界层转捩与湍流研究是当前空气动力学研究的一个热门领域,脉动压力测量技术在高超声速风洞背景噪声测量和边界层内扰动波发展研究实验中得到了广泛应用.脉动压力传感器由于灵敏度高、测量频率范围宽,其测量结果受多方面因素影响.文章以尖楔模型为研究对象,在常规高超声速风洞中开展了模型背面凸起对表面脉动压力测量结果影响的实验研究,获得了3种背面结构（方型凸起、斜坡型凸起和无凸起）模型表面脉动压力信息,对比发现模型背面方型凸起和斜坡型凸起使得模型表面声压级明显增加,其中方型凸起的影响比斜坡型凸起的影响更大,模型背面凸起结构对表面脉动压力测量的影响沿着展向逐渐增加.分析认为模型背面凸起结构影响表面脉动压力测量有三种可能途径:①模型背面大尺度凸起改变模型流场波系,从而影响模型表面流动;②模型背面非定常流动产生的噪声通过固壁传播至脉动压力传感器,影响测量结果;③模型周围非定常非对称流动给模型施加一个非定常的作用力,使得模型振荡,从而影响表面脉动压力测量.      

高超声速模型尾迹电子密度二维分布反演方法

弹道靶利用二级轻气炮将模型加速到高超声速状态,模型在靶室内超高速飞行时形成等离子体尾迹.为实现高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布诊断,利用七通道微波干涉仪测量系统获得了高超声速模型尾迹截面不同位置处平均电子密度.该系统采用一发七收的方式,实现平面波照射等离子体及平面波接收,天线波束可完全覆盖尾迹径向范围.多通道微波干涉仪数据处理过程常将等离子体视为分层介质,考虑到分层界面上折射效应的影响,本研究利用射线追踪方式建立电磁传播模型,结合测量数据建立目标函数,通过遗传算法优化来反演高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布.该数据处理方法的电子密度反演结果与相同来流条件下的数值模拟结果对比吻合较好,初步验证了该方法的有效性.分析了分层模型对电子密度分布特性的影响,结果表明利用七层模型对尾迹建模效果最佳,且适用于不同厚度尾迹,最大化利用接收通道数,确保了计算精度.利用该方法实现弹道靶高超声速球模型尾迹电子密度二维分布诊断,并给出了给定实验状态下模型尾迹电子密度二维分布的一些规律.     

高超声速类HTV2模型全目标电磁散射特性实验研究

针对临近空间高超声速飞行器目标探测与识别研究的需求,开展了高超声速飞行器非均匀等离子体电磁散射特性模拟测量研究.利用弹道靶设备发射高超声速类HTV2模型形成模拟的超高速复杂外形目标,弹道靶高精度阴影成像系统和雷达测量系统分别测量高超声速类HTV2模型姿态、全目标C波段/X波段电磁散射特性,获得了不同实验条件下模型全目标雷达散射截面积(RCS)等实验数据.研究结果表明:在不同实验状态下,包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型同一测量波段的RCS差别超过1个数量级,模型姿态角对包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型RCS影响较大,最大相差1个多数量级;在给定的实验条件下,模型尾迹C波段RCS远小于包覆等离子体鞘套的模型RCS,模型尾迹X波段RCS显著增强;高超声速类HTV2模型全目标C波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域, X波段电磁散射能量主要分布在模型及其绕流区域和等离子体尾迹区域.根据弹道靶实验条件,开展了包覆等离子体鞘套的高超声速类HTV2模型电磁散射特性数值仿真,仿真结果与实验结果之间的最大误差小于4 d B,验证了本文提出的非均匀等离子体包覆目标电磁散射特性建模方法的...     

高精度非定常激波装配法

为正确模拟高超声速绕流中,来流小扰动与弓形激波之间的干扰对流动特征的影响,将弓形激波作为动边界,利用非定常特征关系处理激波处的边界条件.应用五阶精度迎风紧致格式和六阶精度的对称格式与三阶精度的R-K方法相结合,建立高精度非定常激波装配方法.采用该方法数值模拟钝锥高超声速定常流场和二维抛物外形高超声速边界层流动的感受性问题,数值模拟来流小扰动与弓形激波干扰激波后非定常扰动流场,研究扰动波进入边界层产生边界层不稳定波的特征.     

临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状

临近空间高超声速飞行器具有速度快、突防能力强、杀伤力大等特点,是当今世界各军事强国新型武器的重点发展方向.其中,气动力和气动热是高超声速飞行器的两项重要指标,也是高超声速技术研究的重点内容.文章综述了国内外临近空间高超声速飞行器气动力及气动热研究现状,分析了研究的发展趋势,并分别从工程计算、数值仿真以及实验研究3个方面介绍了高超声速飞行器气动力及气动热的研究技术和方法.      

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

吸气式高超声速飞行器气动力气动热的数值模拟方法及应用

对吸气式高超声速飞行器而言,物面热流和摩阻的准确预测对飞行器设计及安全十分关键.介绍采用CFD准确预测气动力和气动热的方法,包括流动的控制方程、湍流模型及湍流的先进壁面函数边界条件,介绍流动的数值求解方法.对典型超声速层流和湍流流动的摩擦阻力和热流进行详细的验证与确认,考察CFD工具在使用先进壁面函数边界条件后,湍流计算的法向网格无关性能力.对设计的一种吸气式高超声速飞行器的气动力和气动热进行数值模拟,为飞行器的气动设计及热防护提供了可靠的数据.     

TURBULENT NATURAL-CONVECTION FLOW OVER A VERTICAL FORWARD-FACING STEP

Measurements of turbulent natural-convection flow over a two-dimensional, vertical, forward-facing step are reported. Laser Doppler velocimeter and cold-wire anemometer were used to, respectively, measure simultaneously the time-mean turbulent velocity and temperature distributions and their turbulent fluctuation intensities. The upstream and downstream walls and the step itself were heated to a uniform and constant temperature. The experiment was carried out for a step height of 22 mm and a temperature difference between the heated walls and the free stream (ambient air), j T, of 30°C (corresponding to a local Grashof number Gr xi = 6.45 2 10 10 ). Measurements of the time-mean velocities and temperature distributions along with their turbulent fluctuation intensities are presented at various locations upstream and downstream of the forward-facing step. The present results reveal that the maximum local Nusselt number occurs in the vicinity of the reattachment region and it is approximately two-and-a-half times that of a flat-plate value at similar flow and thermal conditions. These measurements can serve as a test case for turbulence models in predicting numerically the flow and heat transfer characteristics in this geometry and these experimental conditions.     

高超声速平板边界层/圆柱粗糙元非定常干扰

以高超声速表面湍流控制为应用背景,平板/粗糙元干扰流动为模型,采用大涡模拟方法研究粗糙元流场干扰作用机理.分析粗糙元外形特征对于流动稳定性影响,给出其引起的流动表面参数的变化规律.结果显示超声速边界层在粗糙元作用下产生强逆压梯度并发生分离,粗糙元高度对高位自由剪切层失稳有明显影响,低粗糙元干扰下游流动稳定性,而高粗糙元剪切层发生流向失稳,形成涡串结构;同时粗糙元干扰导致下游摩阻和热流系数较平板略低,可能应用在进气道降热和减阻中.     

高超声速分离-再附流动峰值热流的模型理论

具有大尺度分离区的高超声速分离-再附流动中会在再附点后产生极大的热流峰值.通过分析再附点后局部区域的流动和传热特征,提出了斜驻点-三层结构模型理论框架.继而将此理论框架应用于中低Reynolds数的高超声速压缩拐角流动,提出了其再附点局域流动的外缘参数的工程求解方案,给出了对应的峰值热流值,并与数值计算结果做了对比验证...     

超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Reθ 范围约为2600～4600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各...     

半干旱草原下垫面动量和感热总体输送系数参数化关系研究

本文利用锡林郭勒草原2008年春季近地层涡旋相关系统和铁塔的风、 温平均梯度观测资料, 分析了总体输送系数随梯度Richardson数的变化特征, 建立了动量总体输送系数随大气稳定度、近地层风速以及感热总体输送系数随大气稳定度和近地层气温的关系. 中性条件下, 半干旱草原植被下垫面动量总体输送系数与近地层大气动力状态之间存在明显的相互作用, 总体输送系数与近地面层风速之间满足二次曲线拟合关系; 风速较小时, 大气动力特征对地表粗糙度长度的改变不是很明显, 动量总体输送系数随气流增强而增大; 而当风速较大时, 强风速会使植被高度发生改变, 动量总体输送系数随气流增强而减小. 另外, 感热总体输送系数与近地层气温之间也存在二次曲线关系. 动量总体输送系数与近地层风速之间的关系、感热总体输送系数与近地层气温之间关系的建立为总体输送系数参数化提供了重要途径, 同时该方案避免了对动力学粗糙度长度和热力学粗糙度长度的求解. 关键词： 总体输送系数 参数化 湍流通量 相似性函数     

气动光学效应湍流脉动模型系数修正

以光学窗口的气动光学效应研究为背景,研究影响光学传输预测的流场湍流脉动量预测.选取平板、压缩拐角、凹腔流动模型,采用大涡模拟（LES）方法研究超声速湍流脉动工程预测模型的系数修正.结果表明：LES方法能够获得无激波干扰、强激波干扰及底部大分离条件下,湍流密度脉动的定量分布,并据此给出脉动工程模型的系数修正,结果已经应用于型号飞行器的光学窗口气动光学效应预测.     

Analysis of the turbulent boundary layer in the vicinity of a self-excited cylindrical Helmholtz resonator

This study investigates the changes in the structure of a turbulent boundary layer downstream of a flow-excited Helmholtz resonator. To this end, a fully developed turbulent boundary layer over a resonator mounted flush with a flat plate was simulated by implementing a large eddy simulation (LES). To assist in understanding the effect of the resonator on the flow structure, a sensitivity study was undertaken by changing the main geometrical parameters of the resonator. The results demonstrated that when the boundary layer thickness equals the orifice length, the cross-stream component of velocity fluctuations penetrates the boundary layer, resulting in a reduction of the turbulence intensity by up to 12%. Therefore, it is concluded that a Helmholtz resonator has the potential to reduce the instabilities within the boundary layer. These investigations also assist in identifying the optimal parameters to delay turbulence events within the grazing flow using Helmholtz resonators.     

超声速层流/湍流压缩拐角流动结构的实验研究

在Ma=3.0的超声速风洞中, 分别对上游边界层为超声速层流和湍流, 压缩角度为25°和28°的压缩拐角流动进行了实验研究. 采用纳米粒子示踪平面激光散射(NPLS)技术获得了流场整体和局部区域的精细结构, 边界层、剪切层、分离激波、回流区和再附激波等典型结构清晰可见, 测量了超声速层流压缩拐角壁面的压力系数. 从时间平均的流场结构中测量出分离激波、再附激波的角度和再附后重新发展的边界层的增长情况, 通过分析时间相关的流场NPLS图像, 可以发现流场结构随时间的演化特性. 实验结果表明: 在25°的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动发生了典型的分离, 边界层迅速增长失稳转捩, 并引起一道诱导激波, 流场中出现了K-H涡、剪切层和微弱压缩波结构, 而超声速湍流压缩拐角流动没有出现分离, 湍流边界层始终表现为附着状态; 在28° 的压缩角度下, 超声速层流压缩拐角流动进一步分离, 回流区范围明显扩大, 诱导激波、分离激波向上游移动, 再附激波向下游移动, 分离区流动结构复杂, 相比之下, 超声速湍流压缩拐角流动的回流区范围明显较小, 边界层增长缓慢, 流场中没有出现诱导激波、K-H涡和压缩波, 流动分离区域的结构也相对简单, 但分离激波的强度则明显更强. 关键词： 压缩拐角 层流 湍流 流动结构