高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力/热影响的数值研究进展

本文主要针对高温化学非平衡效应对高超声速飞行器气动力热影响的数值研究进行了综述.首先分析了高温化学非平衡流动数值模拟中的物理化学模型影响,发现组分扩散系数模型会对完全催化壁条件下的气动热结果产生影响;不同化学动力学模型对于激波/激波干扰等复杂流动区域预测的热流峰值差距甚至高达20%以上.壁面催化效应对气动热影响显著,有限催化模型目前仍在发展当中,其中运用气固表面有限速率化学反应动力学方法得到催化反应速率的模型更具发展潜力.材料烧蚀会在边界层内引入质量引射效应,同时热解气体还会与边界层中的高温空气组分发生复杂化学反应,总体上会显著降低气动热.高温化学非平衡效应对飞行器表面压强的影响主要存在两种机制:一种是激波后比热比变小会引起波后压强增大;另一种是脱体激波角变小进而减小波后压强,对航天飞机、返回舱等典型外形的升/阻力影响相对较小,而对力矩影响较大.最后,高温化学非平衡效应对高超声速湍流边界层的脉动特性产生影响,同时使壁面摩阻增加而热流降低,但并未改变湍流边界层的速度、密度、温度和组分浓度的标度律.     

大尺度高焓激波风洞喷管设计研究

激波风洞是开展高超声速飞行器气动力实验的重要地面试验设备,喷管是形成激波风洞试验流场的关键部段.针对大尺度高焓激波风洞,展开轴对称型面喷管设计方法的研究.喷管设计包括无粘型线设计和边界层修正两部分.无粘型线确定后会对其进行边界层位移厚度的修正.由于喉道处边界层位移厚度相较于特征长度(喷管喉道半径)是一个小量,传统的无粘型线设计方法在进行边界层修正时一般将其忽略.这一假设适用于很多超声速及高超声速喷管.但是大尺度高马赫数喷管需要考虑喉道处边界层的影响.对于高焓激波风洞,高温气体效应以及化学非平衡的影响较大,在喷管设计中不可忽略.本研究对高温气体效应以及边界层进行必要修正,并在数值模拟中考虑化学非平衡的影响.在特征线法的基础上,比热比等特征区关键参数取决于CFD数值模拟的结果.比热比可根据组分信息通过NASA拟合曲线来计算.然后通过叠加计算得到的边界层位移厚度进行迭代的边界层修正.本文利用改进的Sivells法设计Ma17喷管,并对其进行CFD数值模拟.喷管出口高度为2.5 m,总温和总压分别为7400 K, 30 MPa.     

含金属丝碳/碳复合材料的烧蚀产物

利用热化学理论及传热传质理论分析了碳/碳化金属/碳烧蚀机理;依据化学动力学中热力学参数与平衡常数关系得到烧蚀产物平衡常数与温度的简单关系式;在一定温度和压力条件下,根据化学反应式、平衡常数与分压关系式和组元浓度与分压关系式联合推导出封闭的烧蚀产物方程组,利用FORTRAN编程,求解得到烧蚀产物浓度和烧蚀速率与温度、压力的关系.计算结果表明含金属丝碳/碳复合材料在高温高压下,金属丝的氧化与碳的氧化相比可以略去,边界层内压力与温度共同决定烧蚀气体成分比例和烧蚀速度.     

苯并七元环硫代亚硫酸酯核磁共振谱的理论研究

应用密度泛函方法对新合成的苯并七元环硫代亚硫酸酯分子的平衡几何构型进行了优化.用从头算法和密度泛函方法计算了碳和氢的化学位移,并与实验结果进行了比较.结果表明,从头算法得到的七元环亚甲基上氢的化学位移理论值和实验值符合得很好.理论值一方面可以对七元环上四个氢的化学位移做出指认,另一方面也对SS键引起的亚甲基上氢的非对映异位给出解释.密度泛函方法定性地区分了亚甲基上两个氢的不同,对碳的化学位移计算要比从头算法稍好.     

固体火箭发动机喷管化学烧蚀的动态数值模拟

为分析固体火箭发动机喷管的化学烧蚀过程，准确预测喷管壁面烧蚀率，在Fluent平台上采用UDF二次开发方法，结合壁面化学反应模型和动网格技术建立了动态烧蚀模型，实现了喷管型面衰退和内流场变化的双向耦合作用.针对推进剂中不同Al质量分数的工况，利用动态烧蚀模型对70-lb BATES发动机喷管的二维非定常流固热耦合过程进行了数值仿真计算,论证了模型的准确性.结果表明：烧蚀率计算值与试验值基本一致；烧蚀率随推进剂中Al质量分数的增加而降低；动态烧蚀模型能更准确地预测喷管壁面烧蚀率；型面衰退改变了喷管流场，在喉部附近产生了更高的压强和温度；采用动态烧蚀模型计算的喷管在喉部壁面附近的H2O和CO2的浓度更高.     

含有非热力学平衡离子和尘埃颗粒电荷变化的热尘埃等离子体中的尘埃声波

使用约化摄动法得到了描述含有尘埃颗粒电荷变化、非热力学平衡离子和玻尔兹曼分布的电子的热尘埃等离子体中尘埃声波修正的KdV(mKdV)方程.并对孤立波受尘埃流体、离子和电子的温度,非热力学平衡快离子参数,尘埃电荷变化以及尘埃颗粒、离子和电子数密度的影响进行了数值模似.     

SF6自能膨胀式断路器喷口烧蚀的数学模型

喷口烧蚀是 SF6 自能膨胀式断路器研制中需要考虑的因素之一。通过分析电弧烧蚀喷口材料的机理 ,认为喷口烧蚀是在电弧能量的传导和辐射共同作用下引起的。将喷口烧蚀分为加热和烧蚀两个过程 ,并且 ,基于 Fourier导热微分方程分别建立了相应的数学模型。给出了开断过程中数值计算喷口烧蚀量的方法 ,计算并分析了烧蚀量与电弧电流及燃弧时间的关系。结果表明 :当开断电流大于一定值后 ,喷口烧蚀量增加较快 ;在电流峰值期间 ,喷口烧蚀量增加的最快。     

超高速碰撞电磁效应数值模拟

采用理论分析和数值模拟结合的方法对超高速碰撞产生等离子体问题进行研究. 通过SPH方法,建立二维轴对称模型,针对不同碰撞速度进行数值模拟,对比不同时刻碎片云的形状以及膨胀速度,验证数值模拟的正确性;利用Thomas-Fermi模型,计算超高速碰撞过程中SPH粒子的温度,对于发生汽化的部分考虑其产生的等离子体参数;以统计物理学为基础,基于化学反应动力学原理,建立了非热平衡等离子体电子数密度、电子温度、宏观温度以及内能之间的关系,用以计算超高速碰撞过程中产生等离子体的参数. 给出不同时刻碰撞产生的总电荷数随时间的变化,将数值模拟结果与文献中经验公式结果进行对比,验证了本文中计算超高速碰撞产生等离子体方法的正确性.     

雷达隐身等离子体参数优化设计

针对等离子体对雷达波的吸收、衰减问题,采用求解波动方程的方法,计算了非均匀等离子体覆盖的金属目标对雷达波的反射。选取非均匀等离子体的最大电子数密度为5×1016~1018m-3,碰撞频率为10-1~103GHz,等离子体厚度为0~0.5 m。研究结果表明:提高等离子体电子数密度能够增强对高频雷达波的隐身效果,但同时需合理提高碰撞频率以保证对低频雷达波的隐身能力;有效增加等离子体厚度,可降低对等离子体源电子数密度的要求几倍甚至数十倍;当等离子体密度梯度较大时,出现非线性衰减,此时增加等离子体的厚度不再改善隐身效果。计算了在不同电子数密度和碰撞频率下,达到10 dB雷达隐身要求所需要的等离子体厚度。结果表明在等离子体电子数密度受限时,通过对等离子体的碰撞频率和厚度的参数优化,可以达到最佳的隐身效果。     

强激光在非均匀磁化电子-正电子-离子等离子体中的传播

利用相对论双流体模型研究了左旋圆偏振强激光在非均匀磁化电子-正电子-离子(electron-positron-ion,EPI)等离子体中的传播.通过考虑相对论效应和有质动力效应,系统的控制方程简化为一个包含有磁场效应和密度非均匀效应的修正非线性薛定谔方程,并进一步研究了调制不稳定性.数值模拟结果表明:外磁场强度,正电子与负电子密度比值的增加以及等离子体密度非均匀性会增强激光束的聚焦和成丝,导致强烈的调制不稳定性和成丝不稳定性,并引起激光束与等离子体之间强烈的非线性相互作用,出现了许多非线性现象.     

高速机动下附面层聚焦效应对机载激光通信性能影响

针对机间光通信中的附面层效应问题,通过对附面层结构的分析,将飞机舱壁外侧附面层视为负透镜,在飞机高速机动和高空大气条件下,对其在机载光通信光束传播中的聚焦效应进行了仿真研究。结果表明:保持飞行高度不变,随着飞行马赫数的增加,附面层的聚焦效应增强。位于海平面高度,马赫数为2以上的飞行平台,附面层焦距和平台曲率半径的比值-F/Rs下降到8以下;当海拔升高到10km和15km,该比值可分别达到16和25;当-F/Rs达到6.3以上,则可满足通信误码率条件。     

基于AUSMDV格式的高超声速钝体绕流的数值模拟

围绕高超声速高温流场的高温效应问题,采用有限体积法,以及熵修正的AUSMDV格式,利用时间分裂法求解了完全气体和化学非平衡流场。求解了SOD2激波管问题,并与精确解进行了对比,分析和验证了AUSMDV格式捕获间断的能力。化学非平衡流求解中采用Park化学动力模型,化学反应源项采用准定常法(The New Quasi-Steady-State-Approach)处理,克服了化学反应源项引起的刚性问题,结果与CEA程序的计算结果进行了比较,研究了高超声速圆柱绕流流场,分析了化学反应对流场的影响。结果证明了计算方法与程序的有效性和实用性。     

链球投掷及飞行中的动力学问题分析

从理论上对链球投掷和飞行中存在的一些动力学问题进行了研究.运用动力学理论建立了链球投掷和飞行中的基本运动微分方程,并进行了数值计算,讨论了出手速度、出手角度、空气阻力等因素对人体受力及链球飞行距离和高度的影响.所得结论可为链球投掷中一些技术问题的解决和训练水平的提高提供理论依据.     

广播式自动相关监视报文中几何和气压高度数据质量统计分析

广播式自动相关监视(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)消息中包含几何高度、气压高度和高度质量指标等信息,分析、总结这些信息的特征、相关性可以为进一步用于空中交通管理(air traffic management,ATM)提供指导建议.对现有飞机飞行高度数据源进行分析、优化对保障飞行安全具有重要意义.基于中国某地区某地面站ADS-B数据开展研究,分析了几何和气压高度的获取方法、优缺点和可用性等,研究了基于飞行阶段的几何和气压高度以及高度差值的变化趋势,总结了ADS-B高度质量指标参数与高度差值的相关性.结果表明,664架样本飞机中几何和气压高度之间的绝对差异范围为0～284.074 m,平均为154.838 m,只有1.204％的高度偏差小于74.676 m.可见,分析与总结航空高度数据的相关性与变化规律对航空安全至关重要.     

滑翔式飞行器高空自适应跟踪制导控制方法

针对具有较大机动能力的滑翔式高超声速飞行器在复杂高空环境再入的问题,提出了一种基于LQR （线性二次调节器）的多状态自适应跟踪制导方法.该方法基于飞行器量纲一化的再入运动模型,考虑滑翔式飞行器各特征参数和飞行约束设计出基本安全飞行走廊,用拟合法将标准弹道综合成航程-高度-速度-航迹角函数.然后设计了基于LQR的多状态跟踪制导律,并采用多项式拟合法实现全弹道制导律的增益调度函数;形成了一套完整的滑翔式飞行器再入过程基于标准轨道的多状态LQR制导方案设计.并通过仿真计算,验证了该制导方法,表明该方法是有效、高精度的飞行器高空自适应跟踪制导方法.      

炭纤维增强树脂炭复合材料微观结构与烧蚀性能

采用金相显微镜和扫描电镜对炭纤维增强树脂炭复合材料微观结构进行分析,采用等离子烧蚀方法研究了炭纤维增强树脂炭复合材料不同方向的烧蚀性能,并对其烧蚀表面形貌进行扫描电镜观察,分析了复合材料烧蚀性能差异的原因.研究结果表明:炭纤维增强树脂炭复合材料中炭纤维和树脂炭结合较好,基体中产生了应力石墨化,材料烧蚀优先从纤维与树脂炭的界面及缺陷处开始,轴向垂直于气流方向的纤维越多,材料烧蚀率越小.     

梯度功能材料的传热与烧蚀计算

以热化学烧蚀二方程模型为基础,用烧蚀与传热耦合计算的方法,研究了梯度功能材料的烧蚀及热防护机理。以新研制的C／C／Al2O3碳陶梯度功能材料为研究对象,对此类材料的烧蚀率计算公式进行了推导。并将计算结果与试验结果进行比较,两者符合良好,进而分析了材料组分的梯度分布对于烧蚀边界条件下试件内部温度场分布的影响。     

C/C-SiC复合材料的表面烧蚀模型及数值模拟

基于炭基和硅基防热复合材料的烧蚀机理对C/C-SiC防热复合材料进行烧蚀分析.依据相变原理,在热传导方程和能量平衡原理的基础上,建立了一维非稳态烧蚀数值模型,模拟了C/C-SiC防热复合材料的烧蚀过程,分析结果与实验数据吻合良好.同时通过数值对比看出,在同等的烧蚀环境中,C/C复合材料的烧蚀速率最快,材料内部温度最低;...     

湍流多尺度相干结构间歇性的PIV实验研究

利用粒子成像测速(PIV)系统测量了湍流边界层中流向速度平面,并对湍流多尺度相干结构统计特性进行了实验研究.利用连续子波变换,计算了不同尺度、不同法向位置的子波系数概率密度函数.结果发现缓冲区有着更强的间歇性.利用子波系数量化湍流间歇性的方法,应用推广的自相似律(ESS),计算了子波系数结构函数的标度指数.研究表明:当多尺度相干结构被提取出后,利用子波系数计算的ESS标度律就符合科尔莫戈罗夫提出的线性标度律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因.此外,利用PIV系统测量的数据,给出了流向平面内的以子波系数表达的能量分布.这种方法有利于进一步对多尺度相干结构在空间平面内的辨识与特性进行研究.