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湍流边界层与高温气体效应耦合的直接数值模拟 被引量：10
1
作者 吴正园 莫凡 +2 位作者 高振勋 蒋崇文 李椿萱 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2020年第6期1111-1119,1128,I0003,共11页
针对高超声速湍流边界层开展了直接数值模拟研究,对高温气体效应与湍流的耦合作用机理进行了分析。研究表明,高温气体效应使边界层内平均温度显著降低,平均密度显著升高。对于湍流脉动量,高温气体效应对温度脉动有较强的抑制作用,而对... 针对高超声速湍流边界层开展了直接数值模拟研究,对高温气体效应与湍流的耦合作用机理进行了分析。研究表明,高温气体效应使边界层内平均温度显著降低,平均密度显著升高。对于湍流脉动量,高温气体效应对温度脉动有较强的抑制作用,而对流向及壁面法向速度脉动和密度脉动的影响趋势在近壁面区域和边界层外层是相反的。在近壁面区域,流向和壁面法向速度脉动和密度脉动都被增强,而在边界层外层,高温气体效应则会抑制该速度脉动和密度脉动。在整个边界层内,高温气体效应使展向速度脉动降低。对于边界层内的雷诺应力,在y+>500区域,高温气体效应会使雷诺应力值减小;而在y+<500的近壁面区域内,高温气体效应明显增大了雷诺应力值,进而增强了湍流引起的动量交换,从而使壁面处速度梯度增加,最终使摩擦阻力增加。对壁面热流,高温气体效应引起的较明显的平均温度降低使得壁面温度梯度降低,导致热流降低。高温气体效应使壁面平均压强和脉动压强均增加。 展开更多
关键词 高温气体效应 湍流边界层 直接数值模拟 多物理场耦合
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传感器催化特性差异对气动热影响的计算分析 被引量：6
2
作者 丁明松 董维中 +2 位作者 高铁锁 江涛 刘庆宗 《宇航学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第12期1361-1371,共11页
针对高温气体效应及壁面催化效应对气动热环境影响,考虑高温空气各种化学反应、分子振动激发、流动中的非平衡效应以及壁面催化复合反应,通过数值求解热化学非平衡N-S方程和壁面能量、质量平衡方程,完善了有限催化条件下高温热化学非平... 针对高温气体效应及壁面催化效应对气动热环境影响,考虑高温空气各种化学反应、分子振动激发、流动中的非平衡效应以及壁面催化复合反应,通过数值求解热化学非平衡N-S方程和壁面能量、质量平衡方程,完善了有限催化条件下高温热化学非平衡流场气动热环境数值模拟方法和程序。在此基础上,针对廉金属热电偶传感器热流测量问题,开展了不同条件下高超声速热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析了催化特性差异对局部气动热环境（传感器表面热流）的影响规律,为试验数据的误差带分析、修正处理和使用提供参考。研究表明：1）催化特性差异会给局部区域带来很强质量扩散热流,使总热流发生跳变,给传感器热流测量带来不可忽视的误差;2）材料催化特性差异越大,热流跳变量越大,某些条件下时,局部热流值将远远高于全表面FCW模拟的结果,其影响量可达100%以上;3）本文计算条件下,飞行马赫数越大、飞行高度越低,催化特性差异的影响越大;4）催化特性差异带来的影响还与飞行攻角、飞行器表面温度等因素存在一定关联,在催化复合系数相同情况下,表面温度越高,影响量越大。 展开更多
关键词 热流传感器 气动热环境 高温气体非平衡效应 催化效应 数值模拟
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高温气体效应对高超声速磁流体控制的影响 被引量：5
3
作者 丁明松 刘庆宗 +3 位作者 江涛 高铁锁 董维中 傅杨奥骁 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第2期77-89,共13页
高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性,进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设,通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程,开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、... 高温气体效应会严重影响高温气体流场的流动特性,进而影响高超声速磁流体控制效率。基于低磁雷诺数假设,通过耦合求解带电磁源项的三维Navier-Stokes流场控制方程和电场泊松方程,开展完全气体模型、平衡气体模型、化学非平衡气体模型、热化学非平衡气体模型等条件下的高超声速磁流体控制数值模拟,分析气体模型对磁流体控制的影响,研究高温气体各种非平衡效应及焦耳热振动能量配比等对高超声速磁流体控制的影响规律。研究表明:化学非平衡效应对高超声速磁流体控制影响显著,采用化学非平衡气体模型模拟得到的磁控增阻特性介于完全气体模型和平衡气体模型之间,平衡气体和完全气体模型磁控热流变化的定性规律,与非平衡气体模型模拟结果差异很大;热力学非平衡效应对高超声速磁流体控制的影响,与焦耳热振动能量作用比率紧密相关,随该配比增大,磁场增阻效果由67%降到约12%;高温气体效应会极大地降低磁控增阻效果,会明显地增强部分表面区域的磁控热流减缓效果,要准确数值模拟高超声速磁流体控制,必须有效地考虑化学和热力学非平衡效应,同时选用接近实际情况的焦耳热振动能量配比。 展开更多
关键词 磁流体动力学 等离子体 高温气体效应 高超声速 热流
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基于多层分块算法的激波干扰流场预测 被引量：2
4
作者 李帅 彭俊 +1 位作者 罗长童 胡宗民 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第12期3284-3297,共14页
激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一.特别地,第Ⅳ类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注.本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题,分别基于量热完全气体模型和考虑... 激波-激波干扰流场预测是超声速乃至高超声速流动中最具挑战性的问题之一.特别地,第Ⅳ类激波干扰由于其在壁面驻点附近产生极高的热载荷而备受关注.本文针对圆柱诱导的弓形激波和入射斜激波的干扰问题,分别基于量热完全气体模型和考虑振动激发的热完全气体模型,数值求解有黏二维可压缩NS方程,分析了高温气体效应对激波干扰流场结构,以及第Ⅳ类激波干扰流场状态参数的影响.接着,本文基于一种具有广义可分离特性的遗传算法(多层分块算法),给出能够预测不同气体模型下第Ⅳ类激波干扰流场三波点的坐标位置、超声速射流的几何形状等特征性几何结构的数学模型,进一步获得高温气体效应对激波干扰类型转变准则影响的定量化评估.激波干扰类型转变准则面上的多组临界工况的激波干扰流场结构以及壁面压力和壁面热流分布的对比结果表明,不同气体模型下的激波干扰类型和流场结构差异较为显著,获得的定量化预测模型对工程中气动热环境的预测具有一定的参考价值. 展开更多
关键词 激波干扰 高温气体效应 多层分块算法 高超声速流动 气动热
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基于高温真实气体效应的双锥磁流体流动控制 被引量：2
5
作者 罗凯 汪球 +1 位作者 李进平 赵伟 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第S02期79-91,共13页
磁流体流动控制作为一种主动流动控制技术,通过外加磁场影响强激波后的等离子体流场运动,可有效改善高超声速飞行器的气动性能。通过数值模拟方法研究不同磁感应强度、磁体位置对双锥模型绕流流动结构及流场内关键参数分布的影响机理和... 磁流体流动控制作为一种主动流动控制技术,通过外加磁场影响强激波后的等离子体流场运动,可有效改善高超声速飞行器的气动性能。通过数值模拟方法研究不同磁感应强度、磁体位置对双锥模型绕流流动结构及流场内关键参数分布的影响机理和规律。结果表明偶极子磁场下随磁感应强度增加,逆流向洛伦兹力始终主导流场内的三波点位置、分离区大小及壁面热流和压力的峰值状态,同时洛伦兹力的存在还将改变激波后电子密度分布;磁体位置前移时,洛伦兹力的分量及峰值位置的变化会导致其对分离激波的作用加强,这有利于进一步控制分离区结构及壁面热流和压力的分布。 展开更多
关键词 磁流体 流动控制 双锥流动 高温真实气体效应 洛伦兹力
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磁控热防护系统在天地往返运载器上的应用仿真 被引量：2
6
作者 丁明松 刘庆宗 +3 位作者 江涛 董维中 高铁锁 傅杨奥骁 《航空学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第7期176-187,共12页
磁控热防护技术在高超声速领域显现出广泛的应用前景。考虑高超声速流动磁流体力学控制涉及的等离子体生成机制、多电离组分导电机理以及电磁流动能量/动量输运机制,通过耦合求解电磁场泊松方程和带电磁源项的高温热化学非平衡流动控制... 磁控热防护技术在高超声速领域显现出广泛的应用前景。考虑高超声速流动磁流体力学控制涉及的等离子体生成机制、多电离组分导电机理以及电磁流动能量/动量输运机制,通过耦合求解电磁场泊松方程和带电磁源项的高温热化学非平衡流动控制方程组,搭建了高超声速磁控热防护数值模拟平台。结合美国航天飞机"哥伦比亚"号(OV-102)近似外形和5种磁场配置方案,较为系统地开展了磁控热防护系统在高超声速"滑翔返回式"天地往返运载器上的应用仿真研究。结果表明:搭建的磁控热防护仿真平台具备偶极子磁场、均匀磁场、螺线管磁场及多个磁场组合条件下复杂外形飞行器气动热环境数值模拟能力,其校验结果与文献或飞行试验数据符合较好;采用合适的磁场配置能有效降低航天飞机的表面热流,显著改善了航天飞机的气动热环境,典型状态的表面热流下降25%以上;局部磁场方向与流动方向的夹角,在一定程度上决定了洛伦兹力的强度和方向,对磁控效果的影响明显。 展开更多
关键词 磁控热防护 天地往返运载器 高超声速 高温气体效应 气动热
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基于高温气体效应的磁流体流动控制研究进展 被引量：5
7
作者 罗凯 汪球 +2 位作者 李逸翔 李进平 赵伟 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第6期1515-1531,共17页
高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场,电离气体为磁场应用提供了直接工作环境.磁流体控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律,可有效地改善高超声速飞行器气动特性,在飞行器气动力操控和热环境管... 高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场,电离气体为磁场应用提供了直接工作环境.磁流体控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律,可有效地改善高超声速飞行器气动特性,在飞行器气动力操控和热环境管理等方面均具有广阔的应用前景;同时,超导材料及电磁技术的发展又重新推动了这一领域的研究热潮.虽然国内外在高超声速磁流体流动控制领域已开展了一些研究工作,但其实验研究依然极具挑战,且由于实验条件及测量技术等限制,其压力、热流等参数的测量并没有得出较为系统的结论,因此需要对影响脱体激波距离、热流、压力变化的规律及机理进行深入研究;同时,数值模拟方法和理论分析也亟待可靠的实验数据来对其进行验证.本综述调研和讨论了基于高温真实气体效应的磁流体流动控制技术研究,主要针对磁流体流动控制的试验技术、数值模拟、理论方法以及流动控制的主要研究方向等进行了总结,并对其发展趋势进行了讨论和展望. 展开更多
关键词 高超声速 高温真实气体效应 磁流体动力学 流动控制 气动力/热
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平衡空气模型的流动稳定性及转捩预测 被引量：6
8
作者 樊宇 万兵兵 +1 位作者 韩宇峰 罗纪生 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第7期1658-1668,共11页
研究高超声速平板边界层考虑真实气体效应的流动稳定性问题.采用7组元化学反应平衡模型,黏度和导热系数采用混合律,同时考虑组元浓度扩散引起的能量传递,在马赫数为10~20、壁面温度为500~3 500K、飞行高度为20~30.5km等条件下,对平板边... 研究高超声速平板边界层考虑真实气体效应的流动稳定性问题.采用7组元化学反应平衡模型,黏度和导热系数采用混合律,同时考虑组元浓度扩散引起的能量传递,在马赫数为10~20、壁面温度为500~3 500K、飞行高度为20~30.5km等条件下,对平板边界层流动的稳定性进行了分析,给出了扰动演化相对增长的N值.计算结果表明：高马赫数飞行中不稳定扰动的第3模态将与第2模态合并,共同影响转捩;高温真实气体的流动稳定性特征,随着马赫数、壁面温度、飞行高度变化的基本趋势与完全气体的基本一致;与完全气体相比,真实气体的相对增长N值包络线较小,表明高温真实气体将抑制转捩发生. 展开更多
关键词 高超声速边界层 高温真实气体效应 化学反应平衡流 流动稳定性 转捩预测
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沿驻点线化学非平衡程度评估方法
9
作者 杨天鹏 严东升 +2 位作者 于江鹏 郭阳 刘文伶 《导弹与航天运载技术（中英文）》 CSCD 北大核心 2023年第1期122-126,共5页
为了研究高温真实气体效应中的化学非平衡的程度,针对球头的沿驻点线流动,通过高温高压气体的化学反应历程估算化学反应特征时间,使用正激波流动关系来估算流动特征时间,建立了化学非平衡评估模型,给出了化学非平衡程度随马赫数和高度... 为了研究高温真实气体效应中的化学非平衡的程度,针对球头的沿驻点线流动,通过高温高压气体的化学反应历程估算化学反应特征时间,使用正激波流动关系来估算流动特征时间,建立了化学非平衡评估模型,给出了化学非平衡程度随马赫数和高度的变化关系。计算结果表明,马赫数越大、高度越低,化学反应特征时间比流动特征时间越小,定义的化学反应特征时间与流动特征时间量级相当时为化学非平衡流动,时间比大于10则接近化学冻结流,时间比小于0.1则接近化学平衡流。在设定的球头模型下,化学反应平衡流在高度0km、10km、20km、30km、40km分别需要马赫数大于8.0、9.5、10.8、12.7、20.0,化学反应冻结流在高度30km、40km、50km、60km分别需要马赫数小于8.4、10.2、12.9、17.5,中间来流状态对应化学反应非平衡状态。 展开更多
关键词 数值模拟 高温真实气体效应 化学非平衡
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