高超声速飞行器气动热关联换算方法研究

气动热风洞实验是地面研究和预测飞行器气动热环境的重要手段之一,但由于风洞实验模拟能力的限制,风洞实验的流场参数和模型的几何尺度都会与实际飞行情况存在一定的差别,导致地面风洞实验中得到的模型表面气动加热率数据无法直接用于飞行条件下的热环境预测和热防护设计.以往通过针对具体飞行器的试验结果进行数据拟合后外插的气动热关联换算方法指向性较强,没有考虑到气动热的具体影响参数,存在一定局限性,难以外推应用于其他外形的飞行器.为解决通过气动热风洞实验数据外推预测飞行条件下气动热的技术难题,基于无量纲NS方程和边界层理论分析研究了影响气动热的主要参数,并通过推导化简边界层近似解热流公式,针对层流流态建立了气动热关联换算方法,可以考虑当地边界层外缘参数的影响,具有一定通用性.在此基础上,利用建立的方法将Reentry-F飞行器缩比模型的风洞实验数据换算到该飞行器飞行条件下的典型工况,并与飞行测量结果进行了比较,外推预测结果与飞行测量结果符合较好,表明建立的关联方法可以用于气动热风洞实验数据的外推换算.     

高超声速非定常流动的数值模拟与气动热计算

高超声速飞行器研究中的一个重点问题是飞行器表面的气动加热,它对飞行器的气动、热特性及安全性有重要的影响.受到当前实验技术的限制,地面实验无法准确模拟真实飞行条件,所以采用数值模拟研究气动加热问题成为目前重要的研究手段.本文采用数值方法求解三维N-S方程,得到钝头体再入模型绕流的瞬态流场,驻点温度及表面热流沿轨道变化规律.计算中采用变边界条件模拟沿轨道飞行的非定常性.     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.     

高温燃气喷流/主流相互干扰实验研究

报道关于高温燃气自由喷流(热喷流)、燃气喷流/主流干扰流对气动热环境影响的实验研究结果. 其意义在于: 抽象出高超声速飞行器实际飞行时燃气喷流及其干扰流的物理模型, 为高超声速飞行器防热需求提供实验依据. 实验主流由脉冲风洞提供,燃气喷流用氢氧燃烧驱动路德维希管的方式产生. 利用脉冲风洞驱动段压力信号自动控制热气源的产生以保证风洞主流与燃气喷流同步, 利用氢气、氮气和氧气的不同比例实现燃气喷流的热力学相似. 实验技术上完成了高温燃气喷流系统的参数采集与系统状态标定; 实验内容上开展了压缩拐角平板模型的气动热实验研究, 通过实验比较了只有主流流场、只有热喷流流场和既有主流流场又有热喷流流场(即干扰流场)3种工况的热流分布. 实验研究发现,热喷流/主流相互干扰会对压缩拐角平板上某一范围内的气动热环境造成显著影响, 热流峰值较无喷流流场高出一个量级.      

THE INVESTIGATION OF EXPERIMENTAL TECHNIQUE FOR HIGH TEMPERATURE GAS JET FLOW TEST IN IMPULSE WIND TUNNEL

报道关于高温燃气自由喷流（热喷流）、燃气喷流／主流干扰流对气动热环境影响的实验研究结果．其意义在于：抽象出高超声速飞行器实际飞行时燃气喷流及其干扰流的物理模型，为高超声速飞行器防热需求提供实验依据．实验主流由脉冲风洞提供，燃气喷流用氢氧燃烧驱动路德维希管的方式产生．利用脉冲风洞驱动段压力信号自动控制热气源的产生以保证风洞主流与燃气喷流同步，利用氢气、氮气和氧气的不同比例实现燃气喷流的热力学相似．实验技术上完成了高温燃气喷流系统的参数采集与系统状态标定；实验内容上开展了压缩拐角平板模型的气动热实验研究，通过实验比较了只有主流流场、只有热喷流流场和既有主流流场又有热喷流流场（即干扰流场）3种工况的热流分布．实验研究发现，热喷流／主流相互干扰会对压缩拐角平板上某一范围内的气动热环境造成显著影响，热流峰值较无喷流流场高出一个量级．     

长试验时间爆轰驱动激波风洞技术研究

地面试验是先进高超声速飞行器研制的主要手段之一,获得满足高超声速气动实验研究的长时间高焓气流是发展激波风洞技术的关键难题之一.依据反向爆轰驱动方法,针对满足超燃试验有效时间的要求,讨论了爆轰驱动激波风洞运行缝合条件匹配、喷管起动激波干扰控制和激波管末端激波边界层相互作用等因素对激波风洞试验时间的制约及其相应的解决方法.应用这些延长试验时间的激波风洞创新技术,成功研制了基于反向爆轰驱动方法的超大型激波风洞,试验时间长达100ms,并有复现高超声速飞行条件的流动模拟能力.      

抗阵风载荷的小型无人飞行器设计及相关风洞舵效比较

本文目的在于探索验证微小型飞行器的气动布局与抗突风载荷能力的关系,结合风洞试验验证了结果并进行了数据分析。在低雷诺数条件下采用大边条、小展弦比非常规的气动布局设计,根据性能指标要求对飞行器的机翼面积、翼展、翼型等相关参数进行了分析设计;运用数值模拟等手段对全机简化模型进行了气动力计算,对结果进了行初步的定性分析,为初始的设计提供了验证;结合实际的靶机制作得到了实际飞机的风洞验证缩比模型,对其进行了风洞的常规测力实验。根据风洞试验结果对飞机升降舵舵面与副翼舵面偏转0°、±15°、±30°的气动性能进行了评估,为进一步的理论分析提供依据。结合实际外场飞行实验情况得出飞行器的实际气动性能,并对大量相关风洞试验数据进行了分析;探索性地给出了一条适用于微小型飞行器进行的新设计方法和设计流程,为设计适应于阵风载荷等恶劣气候条件下微小的型飞行器提供了参考新思路。     

飞行器气动参数辨识进展

飞行器气动参数辨识研究的主题,是应用系统辨识技术从飞行试验数据求取气动力,从而建立飞行器动力学系统的数学模型.它研究的对象是飞行器;解决的是空气动力学问题;采用的基本方程是飞行动力学的运动方程组;应用的研究手段是现代控制论的滤波、预测和估计理论.它是处于空气动力学、飞行力学、弹性力学和现代控制论之间的应用性研究课题. 本文综述了国内外公开发表的飞行器参数辨识研究的理论结果和实践经验,分八个专题——模型辨识,参数估计,数据预处理和相容性检验,试验设计与最佳输入,弹性与非定常效应,频域辨识,闭环辨识,辨识准度与系统验证——评述其研究进展和现状.      

高超声速流场激光测速技术研究进展

高超声速气流条件下飞行器内/外部流动中存在强湍流及脉动、边界层转捩、激波-边界层干扰和高温真实气体效应等耦合效应,表征该非定常流动现象对飞行器气动力、气动热以及目标光电特性等产生的影响是高超声速流动研究中的前沿课题.速度作为表征流动过程最重要的参数之一,准确的速度测量对于深入理解上述复杂流动-传输机理以及高超声速飞行器设计具有重要指导意义.文章针对高超声速流场速度测量中几种常用的非接触式激光测试技术进行了综述,主要包括基于空间法的粒子图像测速,基于激光吸收光谱、激光诱导荧光和瑞利散射的多普勒测速,基于飞行时间法的分子标记测速,以及基于流场折射率的聚焦激光差分干涉测速技术.首先简要介绍每种激光测速技术的基本原理,然后进一步介绍该技术在高超声速自由流、层/湍流边界层、激波/边界层干扰、尾流或其他复杂流动区域的速度及其脉动度测量等方面的典型应用,分析各种技术环境适用性及面临的局限性和挑战.最后对基于激光技术的高超声速流场速度测量进行了总结及发展趋势展望.     

细长锥边界层绊线转捩风洞自由飞试验

通过在半锥角θ_c=10°细长锥面上布置一定数量的人工绊线,促使细长锥表面边界层在相应轴向位置上发生层流向湍流转变的固定转捩,采用运动自由度不受约束的风洞自由飞试验技术研究边界层转捩对高超声速细长锥再入体无控自由飞行下的运动特性和气动特性影响规律,并与以往无人工绊线的细长锥风洞自由飞试验结果作对比.试验马赫数Ma=5.0,通过改变风洞前室总压P_0实现两个雷诺数的模拟,以模型长为特征尺寸自由流雷诺数分别为0.84×10~6和1.68×10~6.结果表明:当自由流雷诺数Re=0.84×10~6时,人工绊线尚不足以促使边界层发生转捩,有绊线的细长锥气动特性与无绊线基本一致,动稳定导数大于零;当自由流雷诺数Re=1.68×10~6时,人工绊线促使边界层发生固定转捩,细长锥的动稳定导数小于零,细长锥自由飞行动稳定.     

建筑群环境风场的特性及模拟--风环境模拟研究之一

建筑风环境是研究建筑物与城市风场相互作用的一门空气动力学与大气科学的交叉学科、将空气动力学惯用的风洞实验和流场显示研究手段，直接用于城市大气边界层和建筑物周边流场变化规律的研究．充分利用数值计算的广度和深度与风洞实验相结合，相互验证、相互补充、弥补了目前实验手段尚无法实现的研究．本以北京商务中心区(CBD)为研究背景，论述了建筑风环境中大气边界层的模拟和具体建筑物风场的显示方法，并与数值计算进行对比，取得了非常一致的结果．为该地区的城市规划和环境保护，提出了科学依据．     

跨超声速风洞扩散段流动分离控制设计参数研究

为抑制跨超声速风洞扩散段的分离,提出了一种较为完备的设计方法。由于影响扩散段性能的参数较多,完全通过试验方法进行设计的成本过高,该方法通过数值模拟,结合适当的边界条件,详细描述了扩散段角度、分流锥角度与长度、孔板开孔率对扩散段性能的影响;从数值模拟的结果可以看出,孔板开孔率和扩开角对扩散段性能有显著影响,通过比较得出较为合理的参数匹配,提高了扩散段的防分离性能,并改善了出口气流质量。数值结果与试验结果结论一致,表明本文所用的方法用于扩散段气动设计是可行的,为数值模拟方法应用于风洞部段气动设计创造了一定的条件。     

高超声速飞行复现风洞理论与方法

针对高超声速飞行伴随的热化学反应流动,本文回顾了郭永怀先生的科研理念和学科布局,综述了他亲手成立的高温气动团队在高超声速飞行风洞实验模拟理论与方法方面的研究进展.高温气体的迅速产生与迅速应用是一种理想的风洞运行方法,而激波管就是这样一种实验装备.论文首先介绍了激波管技术的基本理论与方程,指出将其用于高超声速流动实验模拟时所具有的独特优势.然后讨论了应用激波风洞复现需要的高超声速飞行状态的可行性、基本方程和需要解决的关键问题.针对这些关键问题,进一步介绍了如何应用爆轰现象研发激波风洞驱动技术的理论,并给出了基于爆轰驱动方法的技术发展和工程应用验证.最后,论文介绍了爆轰驱动激波风洞的界面匹配条件,该条件奠定了长实验时间激波风洞运行基础,是其他驱动方法尝试解决而没能完全解决的难题.高温气动团队关于高超声速飞行复现风洞的理论与技术研究,实现了郭永怀先生的战略规划,成就了国际领先的高超声速热化学反应流动研究平台.      

流固耦合介质轴对称动力问题解法的改进

用直接求解常微分方程组解文［１］所得的控制方程，减少了传递矩阵计算工作量，避免了子阵求逆，使问题的求解得到了简化     

On the influence of elevated surface temperatures on hypersonic shock wave/boundary layer interaction at a heated ramp model

Although important flow parameters as Mach number, Reynolds number and total enthalpy can be reproduced in most hypersonic experiments quite well, due to different surface temperature effects in wind tunnel and flight, scaling as well as specific flow properties of shock wave/boundary layer interactions are different. This especially holds for short-duration facilities like, e.g. shock tunnels where due to short running times the models remain more or less at ambient temperature. To overcome this shortcoming, an experimental study has been conducted using a preheatable ramp model with 15° ramp angle. This allowed us to adjust the surfaces to an arbitrary temperature just before the experiment started. Pressure and heat flux measurements clearly showed the effect of varying surface and free stream temperatures. These results are supported by schlieren pictures and infrared measurements. The comparison of the measurements with theoretical and numerical results shows a good agreement. Separation bubble scaling laws proposed by Katzer and Davis have been applied and partially confirmed using the local conditions of the boundary layer at separation.     

层流翼型三维边界层横流驻波精确测量方法研究

后掠机翼的层流控制对于气动减阻有着重要的意义,同时也是非常复杂的研究课题.而对横流驻波的研究是实现层流翼型的一个关健.为此,本文分析并研究了在低湍流度风洞中,采用热线风速仪(CTA)与表面升华法相结合研究由横流不稳定性产生的驻波及其对转捩影响的实验技术,阐述了该实验中架设热线测量系统与升华法表面喷涂的相关技术与细节.实...     

用平均速度剖面法测量壁湍流摩擦阻力

用IFA300恒温热线风速仪精细测量风洞中不同雷诺数流动条件下的平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面．利用平板湍流边界层近壁区域的对数律平均速度剖面与壁面摩擦速度、流体黏性系数等内尺度物理量的关系和壁面摩擦速度与壁面摩擦切应力的关系,在准确测量平板湍流边界层近壁区域对数律平均速度剖面的基础上,测量平板湍流边界层的壁面摩擦阻力．实现了平板湍流边界层壁面摩擦阻力的无干扰或微小干扰测量．该种方法操作简便,不需要在流场中安装测力天平、传感器等复杂的测量装置,不需要对湍流边界层的壁面进行破坏,不会影响湍流边界层壁面附近区域原有的流场条件,是一种切实可行的测量平板湍流边界层壁面摩擦阻力的简便方法．     

A three-velocity-component laser-Doppler velocimeter for measurements inside the linear compressor cascade

A 24′′ (610 mm) access laser-Doppler velocimeter (LDV) system was developed to make simultaneous three-velocity-component measurements in a low speed linear cascade wind tunnel with moving wall simulation. The probe has a 610 mm access length and achieves a measurement spatial resolution of 100 μm by using off-axis optical heads. With the relatively large access length, the LDV probe allows for measurements from the side of a wind tunnel instead of through the tunnel floor, while the high spatial resolution allows for quality near-wall measurements. The probe has been tested in a zero-pressure gradient 2D turbulent boundary layer and the test results agree well with the experimental data measured with different LDV systems and hot-wire anemometery for the boundary layer flows. The energy spectral density was estimated using a slot correlation, and Von Kármán’s model for the energy-spectrum function was used to analyze the measured spectral data to estimate the turbulent kinetic energy dissipation rate, which compares favorably with the measured production values in the log-layer region of the turbulent boundary layer. Measurements are presented for the moving endwall boundary layer at the inlet of the linear compressor cascade facility to validate the capability of this LDV for tip leakage flow measurements. These results indicate that the moving endwall reduces velocity gradients in the near-wall region and results in less production of Reynolds stresses and turbulent kinetic energy compared to the stationary endwall case.     

进气道等离子体/磁流体流动控制研究进展

为实现高速飞行器的宽速域飞行,如何保证进气道在非设计状态下的性能至关重要。相比于传统被动控制方式,等离子体/磁流体流动控制技术作为新概念主动流动控制技术,由于其具有结构简单,快速响应,并可根据实际飞行条件进行反馈控制等优势,在国内外上得到了广泛关注。本文介绍了等离子体/磁流体在高超/超声速进气道的主要应用方式与等离子体/磁流体建模方法。当进气道处于超临界状态时,等离子体/磁流体流动控制主要通过热阻塞效应产生虚拟型面,从而将激波系推回至唇口,该技术有望在需要短时间流动控制的高马赫数导弹上走向工程应用;由于等离子体/磁流体激励器与壁面平齐安装,对于高超声速飞行条件,相比于粗糙元其对热防护的要求较低,并且通过超声速风洞实验初步证明了通过高频激励对边界层施加扰动的可行性,需要从稳定性理论的角度对其物理机制进行研究。在后续发展中需要进一步创新等离子体产生技术及激励方式,发展等离子体与流的全耦合计算模型等离子体与流的全耦合计算模型与高效算法 ,为指导工程应用提供依据.