综述

  • 高超声速飞行器宽速域气动布局设计与优化研究进展

    张阳;韩忠华;张科施;宋科;宋文萍;

    高超声速飞行器向着速域更宽、空域更广、更加实用化的方向发展,宽速域气动布局设计与优化是此类飞行器工程研制亟待突破的瓶颈问题之一。回顾了美国政府部门及其国内航空航天公司21世纪以来发布的代表性高超声速飞机及空天飞机概念方案,分析了高超声速飞行器气动布局演化规律及其设计理念的变化。从乘波体宽速域扩展设计、宽速域布局气动优化设计、宽速域变体布局设计三个方面综述了高超声速飞行器气动布局设计与优化领域的研究进展。分析了宽速域气动布局设计存在的技术难点与挑战,并对宽速域气动布局设计与优化后续研究方向进行了展望。

    2024年02期 No.458 1-14页 [查看摘要][在线阅读][下载 1149K]
  • 高超声速飞行器前体/进气道一体化气动设计回顾与展望

    许耀宇;黄河峡;谭慧俊;蔡佳;刘梦莹;王磊;满延进;李宏东;

    高超声速飞行器具有飞行速度快、突防能力强的优点,现已经成为世界各国军事战略及装备发展博弈的焦点之一,前体/进气道一体化气动设计是提升高超声速飞行器/推进系统性能的一个核心途径。综述了升力体/进气道、乘波前体/进气道以及轴对称前体/进气道这3类典型前体/进气道一体化构型的气动设计方法,总结了前体/进气道波系组织、基准流场、流线追踪以及三维非均匀来流条件下前体/进气道波系设计等方面取得的重要进步,这些进步为高超声速前体/进气道的工程设计奠定了重要的理论和方法基础。最后,针对各类前体/进气道一体化构型指出了当前面临的共性问题以及未来的优化方向。

    2024年02期 No.458 15-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1634K]
  • 粘性流动自动化CFD计算技术研究进展

    陈洁;王家森;卢俊宇;刘君;徐春光;

    针对Euler方程的自动化求解,目前国内外已有成熟的CFD商业软件,譬如Cart3D、KARALIT CFD、Pi-Flow等,但对于NS方程的自动化CFD计算,仍存在很多技术难题,尚处于起步阶段。在文献调研的基础上,总结了基于笛卡尔网格的自动化CFD软件功能与技术特点,介绍了笛卡尔网格下物面边界处理方法和粘性流动模拟技术的研究进展。在分析上述技术路线不足的基础上,基于团队研究成果提出了一种适用于粘性流动自动化CFD计算的新框架,并介绍了其涉及的关键技术。数值试验表明,提出的新框架具备自动化求解粘性流动的工程应用前景。

    2024年02期 No.458 39-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 1428K]

技术与方法

  • 表面烧蚀对高超声速飞行器气动特性的影响研究

    郑永康;叶友达;田浩;田浩;蒋勤学;

    针对飞行器高速飞行过程中受气动加热影响碳-碳材料表面发生微烧蚀,反应产物进入流场边界层与高温气体相互作用的复杂物理化学过程,开展了典型工况条件下翼身组合体和类HTV-2飞行器的热化学非平衡数值计算,分析了碳-碳材料表面烧蚀效应对高超声速飞行器气动特性的影响规律。结果表明,碳-碳材料表面烧蚀的程度越剧烈,材料表面气体引射速度越高,飞行器降热减阻的效果越明显。碳-碳材料表面烧蚀模型,在端头、翼前缘等区域,主要影响表面热流计算结果;在迎风面大面积区域,主要影响摩阻计算结果;在背风区对流场影响较小。表面烧蚀效应有效降低了轴向力的预测值,对法向力和俯仰力矩几乎没有影响。

    2024年02期 No.458 54-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 1871K]
  • 高超声速伸缩式变形飞行器耦合传热分析

    沈斌贤;刘骁;朱言旦;曾磊;田园;赵月;陈忠灿;

    通过变形翼的方式提升高超声速飞行器的气动性能是未来高超声速飞行器适应大空域、宽速域飞行需求的一种有效方式。但在高超声速条件下,变形翼受到严酷的气动加热,对防热设计提出了更高的要求。通过NNW-CAPTER高超声速多场耦合分析软件,基于“热流不动,结构移动”与“结构不动,热流移动”两种思路,分别构建了基于结构动网格技术和表面数据传递的数据传递方法,实现了伸缩翼结构气动热-传热耦合模拟。基于表面数据传递方法对比了伸缩过程不同时间步长选取对计算结果的影响,分析了伸缩过程不同数据传递方法插值误差的影响,最后提出在工程应用中,当伸出时间较短且后续弹道较长时,可以基于伸缩初始时刻和完成时刻的热流数据进行插值,从而简化计算,缩短设计时间。

    2024年02期 No.458 69-78+88页 [查看摘要][在线阅读][下载 1242K]
  • 高焓压缩膨胀角湍流与化学反应干扰研究

    刘晓东;刘朋欣;李辰;孙东;袁先旭;

    高超声速飞行器近年来受到广泛关注,随着飞行器飞行马赫数不断提高,头激波后的高温能够促使空气发生离解,进而形成强激波、湍流脉动以及非平衡化学反应三者之间的复杂干扰。通过对高超声速楔形体头部斜激波后的高焓激波/湍流边界层干扰进行直接数值模拟,研究了在强干扰作用下边界层内的平均组分分布、湍流脉动和组分脉动分布,并且通过湍流-反应干扰系数获得了在强激波作用下湍流与化学反应的干扰强度分布。研究结果表明:高焓流动出现较小分离,在分离区平均温度和密度都出现升高,气体离解加剧,O、N组分平均质量分数较来流边界层明显增大;激波干扰中的可压缩性主要集中在分离激波以及分离泡上方的剪切层中;干扰区内O、N组分质量分数脉动强度明显增强,但与湍动能分布略有不同;湍流反应干扰最强的区域与湍动能极大值区域高度重合,而与组分平均及脉动的极大值位置相差较大。

    2024年02期 No.458 79-88页 [查看摘要][在线阅读][下载 1090K]
  • 高焓湍流边界层直接数值模拟与湍流模型改进研究

    左政玄;赵瑞;樊宇翔;

    随着高超声速飞行器速度的进一步提高,高温化学反应与湍流耦合问题将愈加突出。分别对高焓和低焓流动条件下的平板湍流边界层进行了直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,DNS),并将湍流平均量、湍动能生成项、湍流摩擦阻力系数等物理量与SST湍流模型进行了对比分析。初步研究表明,在低焓来流条件下,SST模型与DNS的计算结果较为吻合,而在高焓条件下,受到化学反应的影响,SST湍流模型预测的湍动能、湍流黏性系数、湍流摩阻系数均高于DNS计算结果。因此,修正了针对高焓流动条件下的SST湍流模型,在k方程湍动能生成项中加入温度限制器,改进后结果与DNS计算结果值吻合较好。

    2024年02期 No.458 89-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 1404K]
  • 适用于高速流动的γ-Re_θ转捩模型研究

    孙泓朴;戴梧叶;吴宁宁;许灵芝;

    随着高速飞行器空域及速域的不断拓展,准确预测高速飞行器边界层转捩对飞行器气动性能的设计变得越来越重要。传统γ-Re_θ转捩模型中的经验关系式是使用低速平板边界层数据标定得到的,不适用于高速边界层转捩预测,为了改善这一问题,基于DNS计算数据与风洞试验数据,改进了模型中转捩动量厚度雷诺数的经验关系式。选取了高速平板绕流与尖锥绕流算例,验证了提出的经验关系式,结果表明传统转捩模型在预测高速边界层转捩时会过于提前预估转捩的发生,而改进后的转捩模型可以很好地预测转捩起始位置与转捩区长度,更适用于高速边界层转捩预测。

    2024年02期 No.458 99-107页 [查看摘要][在线阅读][下载 1005K]
  • 面向跨流域模拟的统一随机粒子方法和SPARTACUS软件

    冯凯凯;田鹏;张俊;

    在跨流域气体流动问题的研究中,传统随机粒子算法如直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法由于存在分子平均自由程和平均碰撞时间对计算时空尺度的限制,无法进行高效模拟。统一随机粒子(USP)方法是近年来提出的多尺度粒子方法,该方法通过将分子的运动和碰撞耦合考虑,去除了DSMC方法中计算时空尺度的限制,有效提高了在跨流域流场计算中的效率。介绍了USP方法的基本原理、算法实现和作者团队最近开发的开源求解器SPARTACUS。SPARTACUS在DSMC方法的开源框架SPARTA基础上发展而来,具有出色的通用性,能够对任意1~3维几何外形的内外流场进行计算。此外,该求解器使用基于消息传递接口的并行策略,具有支持上百万核规模并行的潜力。给出了几个针对不同外形、从低速到高超声速的基准测试结果,并与DSMC或实验的参考结果进行对比。结果表明,该求解器能够对跨流域流场进行准确模拟,并与传统粒子方法相比具有显著效率优势。

    2024年02期 No.458 108-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 1230K]
  • 考虑传感器动态响应的气动热反演辨识方法研究

    俞智超;陈鸿初;

    通过数学模型推导了双热电偶求解表面热流的线性标定积分方程,应用未来时间步的正则化方法及确定最优正则化参数的相平面与互相关系数法求解了积分方程。通过模拟实际飞行试验及设计两组标定实验得到标定积分方程方法所需的3组热电偶数据和2组标定热流数据,数值模拟了实际热电偶数据收集过程中会产生的噪声,用MATLAB求解了该情况下的导热反问题,在采用正则化方法并选取最优正则化参数γ后,得到了拟合度很高的表面热流密度预测结果。结果表明:标定积分方程方法可求解背表面边界条件未知的导热反问题,并具有很高的鲁棒性。标定积分方程方法可避免或减少传统求解导热反问题中所需要的包括热电偶动态响应参数、几何参数、传热材料热物性参数等的不确定性,提高了导热反演结果的准确性与可靠性。此外,探究了所使用的正则化方法中正则化参数γ对预测结果的影响。

    2024年02期 No.458 119-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 1215K]
  • 空天飞行器静力-热-噪声复合环境试验技术

    吴振强;刘砚涛;刘武刚;宋俊柏;贾洲侠;

    可重复使用空天飞行器是航空航天领域的重要发展方向,在发射、跨域飞行或再入过程中经历着严酷的气动力、热、振动、噪声等多场复合服役环境,这为重复使用性能验证和寿命评估考核提出了新的需求。近年来,热强度、热-振动、热-噪声以及高温测试等方面取得了显著进展。基于热-噪声复合环境试验技术基础,采用电动缸进行典型加筋壁板的静力加载,形成了静力-热-噪声复合环境试验方案。通过试验表明,噪声载荷产生的振动可引起静力加载的下降;当静力加载的位置保持不变时,试验件的加热可引起静力加载的大幅增加。最终成功开展了加筋壁板的静力-热-噪声复合环境试验,这为建立空天飞行器的可重复使用试验体系以及热防护结构性能验证提供了技术支撑。

    2024年02期 No.458 128-134页 [查看摘要][在线阅读][下载 1186K]
  • 临近空间高速飞行器光纤压力测量传感器

    付政伟;李宗昆;江毅;江宇璇;张琦;张洁;

    开发满足临近空间高速飞行器所用的高精度光纤压力测量传感器,可有效提高高速飞行器飞行高度的测算精度,提高其控制稳定性,为加速高速飞行技术发展提供支持。利用MEMS光纤传感器技术研制了临近空间高速真空压力传感器,对未做封装保护的裸传感器1#、2#和3#,以及做封装保护的传感器4#和5#分别做了升、降压试验,实现了100~2000 Pa范围内的临近空间真空压力测量。试验结果表明,5支传感器都具有较好的腔长-压力灵敏度和拟合系数。做封装保护的传感器4#、5#与未做封装保护的裸传感器1#、2#、3#具有接近的拟合系数,表明二次封装没有改变传感器的性能。最后,针对现有研究给出总结和建议,对高速飞行器的真空度测量研究具备参考价值和推广意义。

    2024年02期 No.458 135-144页 [查看摘要][在线阅读][下载 978K]
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