- 刘美宽;韩桂来;李宗贤;姜宗林;
高超声速边界层转捩对飞行器的气动布局及热防护等性能都至关重要。研究依托JF-12复现高超声速飞行条件激波风洞开展边界层转捩实验,实验模型为典型外形的大尺度圆锥(高3 m)。大尺度模型结合复现来流条件还原真实飞行中高超声速边界层转捩的物理过程。针对大尺度圆锥模型开展了关于单位雷诺数、马赫数对高超声速尖锥边界层转捩的影响研究。利用高精度同轴热电偶传感器和高频响脉动压力传感器分别测量高超声速边界层转捩过程中的壁面热流以及脉动压力。通过热流分布判断边界层转捩位置,对流态进行识别;通过壁面脉动压力分布关注边界层中不稳定波的演化。结果表明:随着来流马赫数的增加,转捩雷诺数增大,转捩位置推迟,转捩区长度变长。来流马赫数的增加,边界层内不稳定波演化处于更早期阶段,边界层转捩推迟。随着单位雷诺数的增加,转捩空间位置提前,转捩雷诺数减小,圆锥模型对单位雷诺数的变化敏感,转捩空间位置的变化比例远大于单位雷诺数本身的变化比例。单位雷诺数增长使得边界层内不稳定波向扰动演化后期发展,边界层失稳提前。
2023年03期 No.453 1-14页 [查看摘要][在线阅读][下载 9701K] - 张森豪;许以欣;张仕忠;张晓源;林鑫;李进平;卢会群;李飞;余西龙;
临近空间高超声速飞行器的绕流是经过强激波压缩的高温空气,可以产生强烈的高温辐射,对于飞行器的热防护设计具有重要影响,因此开展波后高温空气辐射特性研究具有重要意义。在中科院力学所的JF-14激波风洞中,开展了6 km/s运动激波波后辐射光谱实验研究。利用超高速相机捕捉了激波的运动和辐射空间分布特征,探索了瞬态和动态结合的辐射光谱测量方法,测量了可见光波段(510~790 nm)的运动激波波后瞬态光谱,并初步获得了N2分子第一正带系光谱、O原子光谱特征谱线,以及Na原子光谱特征谱线的辐射强度时空演化规律。将实验光谱与SPARK 3.0辐射逐线计算程序的理论光谱进行计算拟合,推断了N2分子的转动温度和振动温度。本研究为后续开展激波波后振动弛豫等物理现象的研究工作奠定了基础。
2023年03期 No.453 15-20+39页 [查看摘要][在线阅读][下载 6634K] - 章顺良;鲍麟;王智慧;
壁面催化反应是高超声速飞行器气动热环境预测中需考虑的关键因素之一。工程上常用测热试验来确定材料的催化系数,但是受到试验精度和材料表面粗糙度等因素的影响,测得的催化系数往往存在很大散度。采用直接模拟蒙特卡洛方法,研究了传感器材料与模型基底材料催化系数存在差异以及局部区域存在微观粗糙度的情况下,钝前缘热流分布的变化特征。结果表明,局部催化特性差异会显著影响气动加热,局部热流甚至会高于完全催化假设下的驻点热流。表面微粗糙度在中等催化系数下对热流的影响较大,其影响可以用具有等效反应系数的光滑壁代替。研究结果有助于评估测热试验中材料局部特性差异对测试结果的影响,为发展精确的材料属性测试技术和气动加热预测方法提供参考。
2023年03期 No.453 21-29页 [查看摘要][在线阅读][下载 6294K] - 张红军;李海群;康宏琳;罗金玲;方芳;
随着高超声速飞行器的快速发展,高焓来流条件下壁面催化效应对气动加热的影响是热防护系统设计中不可忽视的一个重要问题。针对高温/壁面催化效应对高超声速飞行器前缘气动热的影响开展了激波管测热试验研究,通过在试验模型表面溅射Cu和Al2O3涂层来模拟催化和非催化边界条件,获得了典型飞行空域、速域条件下壁面材料催化特性对前缘驻点区域气动热环境的影响规律,其中壁面催化效应对气动加热有显著的影响,溅射Cu涂层的全催化热流比非催化热流要高25%以上。数值模拟分析表明,试验来流条件下波后氧分子存在着较为显著的离解现象,使得不同催化特性的涂层对前缘区域气动热有较为显著的影响。
2023年03期 No.453 30-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 3921K] - 蒋浩;车学科;张天天;龚陟阳;柴振霞;柳军;
针对高马赫数、高雷诺数流动条件下高温激波/湍流边界层干扰机理认识存在的不足,采用自开发的热化学非平衡Navier-Stokes全隐式湍流求解器对典型激波/湍流边界层干扰流动开展了壁面条件影响的仿真研究,其中,热力学模型采用Park双温度模型,化学反应基于Gupta的11组元模型,完整推导了雷诺平均热化学非平衡方法,植入了k-ωSST湍流模型,并采用典型算例进行验证。对高度30 km、马赫数20飞行条件下的34°压缩拐角流场进行了计算,结果表明,壁面温度和壁面催化条件的准确判断对确定高马赫数条件下激波/湍流边界层干扰壁面峰值参数至关重要,峰值摩阻和热流出现在颈部区域,颈部区域边界层近似处于热平衡状态。随着壁温升高,分离区长度略微增大,峰值热流相应减小,壁面温度对峰值摩阻和热流的影响幅度分别可达30%和10%左右,壁面催化条件对峰值摩阻和热流的影响幅度分别可达5%和20%左右。因此,在利用高超声速多物理场数值模拟手段进行飞行器辅助设计时,必须采用极限边界条件进行状态拉偏,以确定飞行器结构、热防护等系统的极限工作条件。
2023年03期 No.453 40-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 4134K] - 林键;张婷婷;宋华振;文帅;金熠;张敏莉;陈星;沈清;符松;
为了在常规高超声速风洞模拟马赫数10及以上的流场,电弧加热器是一种有效获得高温试验气体的方法。针对中国航天空气动力技术研究院电弧加热高超声速风洞(FD-16高线)开展研究,通过可调谐二极管激光吸收光谱技术(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)流场诊断技术,对喷管出口NO浓度进行定量测量,五次平均摩尔浓度5.73%。分析了电弧加热的流场化学反应,建立了驻室混合气体模型,结合流场诊断结果和驻室混合气体模型,建立电弧加热高焓风洞驻室参数计算方法,得到了此风洞与热完全气体模型驻室参数计算的差异,为后续进行风洞测力试验的马赫数修正提供了具体有效的方法。
2023年03期 No.453 52-59+87页 [查看摘要][在线阅读][下载 3509K] - 赵珉;陈煌威;司晨威;朱跃进;
爆轰波与惰性气块的相互作用会引发复杂的波系和界面变化,加速惰性组分与周围可燃预混气的混合,并影响爆轰波透射后能否二次起爆。基于OpenFOAM开源计算平台,对爆轰波与有限长度惰性气块的相互作用进行了一维数值研究,考察了不同密度及长度对两者相互作用过程的影响。结果发现,爆轰波在透射不同参数惰性气块后,流场中均出现了二次起爆、爆燃和熄爆三种状态,并且长度越长、Atwood数越大的惰性气块越容易抑制爆轰波的传播。由于研究所采用的惰性气块长度较短,因此,相比于气块长度,惰性气块内外的密度差异对能否二次起爆有更重要的影响。进一步还可以发现,惰性气块被爆轰波冲击时会发生明显的压缩和运动,且压缩程度随着发生二次起爆、爆燃和熄爆等不同情形而逐渐变弱。此外,二次起爆产生的高压能够明显阻碍惰性气块持续向下游的运动。需要注意的是,对于密度越大的惰性气块,尽管其初始长度不同,但爆燃和熄爆状态对应的压缩率差异越来越小。相关结论可以为揭示爆轰波与惰性气块之间的相互作用提供详细的理论支持,对工业安全中的阻爆抑爆研究具有重要意义。
2023年03期 No.453 60-70页 [查看摘要][在线阅读][下载 1659K] - 叶致凡;崔智亮;邢浩运;赵瑾;文东升;
热防护材料(Thermal Protection Material,TPM)可保护在高温热环境中的飞行器避免烧毁或者过热等现象,现有的热防护材料主要包括非烧蚀类和烧蚀类,其中烧蚀型热防护材料主要包括碳/碳、碳/酚醛、高硅氧/酚醛等。酚醛树脂的热解会释放气体产物,引射至边界层并可能进一步影响气动特性,但目前酚醛树脂的热裂解过程及引起热解气体质量引射效应机理尚不清晰。针对酚醛树脂的热裂解过程及热解气体质量引射机理研究的不足,本研究采用反应分子动力学模拟方法研究了酚醛树脂聚合物热裂解的过程及气固界面的组分扩散过程。计算结果表明:酚醛树脂固体内部热裂解过程中,小分子产物主要包括H2O、CO、H2、C2H2和CH4分子;材料温度越高,酚醛树脂聚合链热裂解的速度越快,通过本计算得到失水过程中H2O分子生成的活化能为124.98±7.99 kJ/mol,与试验数据对比吻合较好;此外,计算结果还表明,在低压时的酚醛树脂气固界面处,即使较低温度的情况也会发生酚醛树脂的热裂解反应,热解产物以H2O、H2和C2H2等小分子为主,并由酚醛树脂材料固体内部向边界层扩散形成质量引射效应,同时造成酚醛树脂固相材料内部的碳流失效应而形成类孔隙化结构。本研究方法有望为考虑酚醛树脂热防护材料的热裂解及质量引射过程提供定量边界层条件及科学理论基础。
2023年03期 No.453 71-78页 [查看摘要][在线阅读][下载 7891K]