摘要：HIFiRE-5、HyTRV均为验证高超声速三维边界层转捩的典型标模。C-γ-Re_(θ)转捩模型在原始的γ-Re_(θ)转捩模型基础上进行了高超声速横流转捩修正。运用C-γ-Re_(θ)转捩模型对飞行、风洞工况下HIFiRE-5、HyTRV进行转捩模拟。对于HIFiRE-5飞行试验,针对其弹道中8个典型高度及存在姿态角的工况进行转捩预测,C-γ-Re_(θ)转捩模型计算结果与热流测量结果吻合,并对其表面的转捩模态进行了对比分析。对于HIFiRE-5静音/常规风洞试验,C-γ-Re_(θ)。转捩模型能够准确计算变雷诺数工况下转捩阵面形态及转捩起始位置,并与温升测量结果相符。对于HyTRV常规风洞试验,在变马赫数、变雷诺数的工况下,C-γ-Re_(θ)。转捩模型计算结果与模型上、下表面红外热图测量结果基本一致,能够预测横流模态下的边界层转捩,对于转捩起始位置、转捩阵面形态的预测与基于线性稳定性理论的e^(N)方法具有相当的预测精度。测试表明,对于飞行试验和静音/常规风洞试验,C-γ-Re_(θ)。转捩模型预测结果均保持较高的可靠性,实现了高超声速典型标模的三维边界层转捩预测.

摘要：基于国家数值风洞风雷软件开源框架,设计开发了LES(Large Eddy Simulation)湍流模型,主要包括Fourier谱/有限差分方法 LES求解器和有限体积/有限差分方法 LES求解器。简要介绍了采用的不可压缩流动求解的投影法、Fourier谱/有限差分混合方法、亚格子模型等理论方法,给出设计的软件框架和计算流程,尤其说明采用的松/紧2种耦合模式。通过数值模拟不可压缩槽道湍流、亚临界雷诺数圆柱绕流、NACA0012临界攻角的低频振荡算例,验证求解器的计算精度和复杂湍流模拟能力。基于风雷开源框架设计的开源LES模型,具备高精度数值格式、亚格子模型、湍流统计等通用模块,可为国内学者提供一个LES湍流模拟研究的开放平台。

摘要：高超声速充气式柔性减速器(HIAD)在气动力作用下会变形为波纹状,从而促进流动转捩为湍流,准确预测其转捩位置和壁面热流对热防护系统的设计至关重要。拓展了分离诱导转捩预测性能的改进k-ω-γ模式,同时具备对第1模态、第2模态、横流模态以及流动分离失稳的预测能力。本文将其应用于不同雷诺数下壁面波纹变形的HIAD边界层转捩预测,并与原始k-ω-γ模式的预测结果进行了对比,以评估和验证其对复杂转捩现象的预测性能。在此基础上,细致剖析了改进k-ω-γ模式的转捩预测机制。结果表明,改进k-ω-γ转捩模式可准确预测不同来流雷诺数下HIAD的转捩起始位置、转捩阵面形态和壁面热流分布。波纹壁面波峰处的转捩预测主要由构造的分离间歇因子猝发。而在波谷位置,第1模态、横流模态以及流动分离的贡献都很重要。以上研究显示了改进k-ω-γ模式在复杂外形中的应用潜力,可为多重不稳定耦合作用下的转捩预测方法发展提供参考。

摘要：边界层转捩会使高超声速飞行器壁面摩阻和热流显著增加,因此在高超声速飞行器设计过程中往往占据重要地位.针对高超声速飞行器多模态转捩控制问题,提出了微槽道(1 mm)与边界层吸气的组合控制方法,并通过直接数值模拟和线性稳定性理论研究了Ma=4.5平板边界层的稳定性及组合控制效果.边界层在无控状态时,同时存在失稳的第一、二模态波,且二维第二模态波最不稳定;单纯施加微槽道控制时,边界层第二模态波会被抑制但第一模态波会被略微激发.对比而言,采用“微槽-吸气”组合控制后,不仅增强了对第二模态波的抑制效果,而且减弱了第一模态波的激发程度;同时随着吸气强度的增加,第二模态波不稳定区域明显收缩、频率显著增高,而第一模态波则变化不明显.相较于单纯的微槽道,吸气增强了“微槽吸收”与“声波散射”作用,因此中等吸气强度下该组合控制方法对第一和第二模态波的增长率分别实现了12.63%和28.02%的抑制效果.以上结果表明“微槽-吸气”组合控制手段具有适用宽频、布置区域灵活的优点,展现出了一定的多模态控制效果.

摘要：凹腔广泛存在于航空航天飞行器表面,如部件安装缝隙、高温烧蚀剥离等,对边界层转捩过程具有重要影响,是飞行器气动设计需要重点考虑的因素之一。为了探究不同尺度凹腔对边界层扰动波的影响规律,本文在固定来流条件下针对不同尺度的壁面凹腔,采用线性稳定性分析和高精度直接数值模拟,研究了高超声速(Ma=5.92)和超声速(Ma=1.38)边界层内扰动波经过凹腔的演化过程。结果表明:凹腔内部存在较强的回流区,其涡结构随着凹腔尺寸的增大变得复杂。对于高超声速流动,当凹腔位于快慢模态同步点上游时会促进扰动波发展,而位于同步点附近或下游时则起到抑制作用,且当凹腔位于同步点位置时抑制效果最佳;增加凹腔尺度(宽度或深度)会强化其对扰动波的控制效果。对于超声速流动,在不稳定区间范围内凹腔总是促进扰动波增长,并且随着凹腔尺度的增加促进效果增强。当凹腔尺度超过临界值后,凹腔内流动会发生自激振荡,进而给下游边界层引入新的扰动源,促进转捩的发生。本文研究结果对飞行器表面气动设计与热防护提供了重要参考。

摘要：发展工程实用的转捩预测方法对于超声速民机层流减阻设计具有重要的意义。传统针对亚跨声速层流机翼设计的转捩预测方法仅考虑了二维Tollmien-Schlichting(TS)波和横流驻波诱导的转捩,无法满足超声速机翼边界层考虑三维TS斜波和横流行波的转捩预测需要。本文改进了双N因子扰动放大因子积分策略,提出了一种适用于超声速层流机翼设计的eN方法。该方法采用固定波角和固定频率方法来寻找不稳定TS斜波和CF行波扰动,再通过固定展向波数/固定频率方法或包络线方法计算其扰动放大因子,实现了考虑TS斜波和CF行波的转捩自动判断。进一步将该方法和雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)求解器结合,发展了耦合eN转捩预测的超声速机翼RANS方程数值模拟方法。针对来流马赫数2.0、后掠角65°的NASA超声速试验机翼,开展了边界层稳定性分析。结果表明,在不同雷诺数下计算得到的横流行波与驻波的扰动放大因子均与文献结果基本吻合,验证了本文方法的正确性。此外,还将本文方法应用于来流马赫数2.0、雷诺数1.39×107、后掠角60°的无限翼展层流机翼初步设计。为了抑制超声速大后掠机翼边界层横流不稳定性,分析并提出了一种使流动在机翼前缘迅速加速、继而维持微弱压力梯度的理想压力分布。经数值模拟评估,设计机翼上表面接近为全层流,验证了本文方法对于超声速民机层流机翼设计的适用性。

摘要：通过求解层流Navier-Stokes方程和组分输运方程,数值模拟了化学氧碘激光(COIL)三维扩压器和光腔中10组分21反应的内流流场,计算中没有考虑水蒸气在低温下的冷凝以及激光能量的输出。通过与国外文献计算结果比较可知,物性系数、化学反应速率常数、边界条件处理等对组分浓度影响较大,缺乏这些数据库将会影响计算结果。计算表明,三维副流射流基本穿透主流到达中心线,主副流混合较强,激发态粒子高浓度区主要在中心线附近,因此,也只有在中心线附近有较强的小信号增益系数,进一步研究混合增强技术可以提高原材料的使用效率以及激光的出光功率。本研究可为强激光武器系统之新型压力恢复系统的设计提供技术储备。

摘要：介绍了基于流体力学和电磁学方程数值求解的飞行器气动隐身一体化设计方法。首先介绍了精度相对较高的飞行器气动和隐身特性数值计算方法,即,对于气动性能计算,求解的是结构网格上的NS方程加BL代数湍流模式;对于隐身特性计算,是用时域有限体积法来求解电磁学微分方程以获取RCS值。由于采用了高精度的数值方法,优化时单一设计点的气动性能计算和隐身性能计算变得较为耗时,因此在进行多目标遗传算法优化时本文采用了一种"少量样本计算+Kriging响应面模型建模"的优化策略。针对某类似X-47飞行器的一体化设计算例计算表明,上述设计方法是可行的,实现了优化设计中引入高精度的性能分析方法,有望提高优化结果的可信度。

摘要：动导数是飞行器动态稳定性分析、弹道设计和控制系统设计的重要参数,其预测方法主要有工程近似方法、数值模拟和风洞试验。基于动导数、交叉导数的概念,介绍了强迫振荡法、自由振荡法等预测动导数的数值模拟方法,重点就超声速、高超声速动导数数值预测中存在的问题开展讨论,包括时间步长、子迭代步数的选取;振荡频率对辨识结果的影响;强迫振荡法和自由振荡法辨识动导数可能存在差异的原因分析;交叉导数和交叉耦合导数的辨识问题以及飞行器构型对动导数预测的影响等。并结合算例进行了具体分析,在总结现有研究经验的同时,针对当前研究中存在的困惑和难题,提出了相应的改进建议。

摘要：采用自由振荡法数值模拟了平头、钝头外形的超声速俯仰振荡时间历程,并应用奇异分解线性最小二乘法辨识稳定性导数,得到动导数随马赫数和攻角非线性变化的规律。平头外形在较高马赫数和中小攻角范围内存在动不稳定现象,随着再入时马赫数的降低,动不稳定的攻角范围不断缩小,直至演化为动稳定的;小钝头外形则没有动不稳定现象。蒙特卡洛弹道仿真表明,平头外形初始时刻俯仰角的扰动会经历一个先增长然后衰减的过程,最终落地时俯仰角小于1°,满足设计要求,但其落地速度有所降低,可能影响该外形对靶标的侵彻效果。