高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟
发布时间：2021-10-08 07:07
针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡NavierStokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。
【文章来源】：实验流体力学. 2019,33(03)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１ＦＤ－１５电弧风洞结构示意图Ｆｉｇ．１ＳｋｅｔｃｈｏｆＦＤ－１５ａｒｃ－ｊｅｔｔｕｎｎｅｌ
模型、方法等进行了较为充分的验证和研究［１－３］。这里针对ＦＤ－１５电弧风洞的平头热流校核试验，开展了喷管／试验段／试验模型一体化流场的数值模拟，并与试验结果进行对比，验证计算方法的合理性。计算外形如图２所示。图３为平头模型的结构示意图，平头直径１２０ｍｍ，倒角半径５ｍｍ，长５０ｍｍ，头部共有９个热流测量点。共进行了２组试验，表１给出了２组试验的风洞运行状态参数，Ｈ０为驻室气体总焓，Ｔ０为驻室温度，ｐ０为驻室总压，Ｇ为气体流量，其中总温Ｔ０通过总焓和总压使用前述的驻室高温气体组分计算方法迭代计算得出。试验气体为空气。壁面条件采用等温壁Ｔｗ＝５００Ｋ、零压力梯度、无滑移、完全催化（ＦＣＷ）和非催化（ＮＣＷ）条件，入口条件由驻室参数获得。图２一体化计算域示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎ图３平头模型示意图Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｔｅｓｔｍｏｄｅｌ图４给出了流场参数分布云图。从图中可以看出，试验模型头部产生的弓形激波与试验段超声速气流外边界存在强烈的相互干扰，流动结构十分复杂，试验段来流存在振动温度和组分的冻结现象，高总焓（１７．５ＭＪ／ｋｇ）试验条件下来流的振动温度冻结在更高温度，同时含有更多的氮、氧原子组分。图５给出了ＮＣＷ条件下模型驻点线上温度、压力和组分质量表１风洞试验运行状态Ｔａｂｌｅ１Ｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｃｏｎｄｉ
（ｇ）氮原子分布（Ｈ０＝１７．５ＭＪ／ｋｇ）（ｈ）氮原子分布（Ｈ０＝９．８ＭＪ／ｋｇ）图４流场参数分布云图Ｆｉｇ．４Ｐａｒａｍｅｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄ（ａ）温度分布（ｂ）部分组分质量分数分布图５沿模型对称轴线上的参数分布（ＮＣＷ条件）Ｆｉｇ．５Ｐａｒａｍｅｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅａｘｉｓｏｆｔｅｓｔｍｏｄｅｌ（ＮＣＷ）分数分布，从图中可以看出，高总焓（１７．５ＭＪ／ｋｇ）试验条件下的波后振动温度和平转动温度更高，氧分子几乎完全离解，组分反应更加剧烈。图６给出了计算结果与试验数据的对比，可以看出，试验得到的热流数据值几乎处于完全催化（ＦＣＷ）热流和非催化（ＮＣＷ）热流之间，说明数值计算方法和程序适用于电弧风洞的高温气体非平衡流场气动热环境的计算。图６表面热流分布对比Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｈｅａｔｆｌｕｘ图７球头模型示意图Ｆｉｇ．７Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｐｈｅｒｅｔｅｓｔｍｏｄｅｌ３球头模型试验一体化数值模拟为了研究ＦＤ－１５电弧风洞的试验数据外推问题，这里选取了特征尺寸明显的球头模型作为试验模型。球头模型外形如图７所示，其头部半径为６０ｍｍ，长度为１２０ｍｍ。计算状态为：驻室总焓１７．５ＭＪ／ｋｇ，总压０．３９ＭＰａ。计算采用两温度热力学模型，化学反应模型采用５组分Ｄｕｎｎ－Ｋａｎｇ模型，壁面采用无滑移、零压力梯度和等温壁Ｔｗ＝５００Ｋ条件，
【参考文献】：
期刊论文
[1]传感器催化特性差异对气动热影响的计算分析[J]. 丁明松,董维中,高铁锁,江涛,刘庆宗. 宇航学报. 2017(12)
[2]局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析[J]. 丁明松,董维中,高铁锁,江涛,刘庆宗. 航空学报. 2018(03)
[3]高焓激波风洞喷管流场非平衡特性研究[J]. 汪球,赵伟,滕宏辉,姜宗林. 空气动力学学报. 2015(01)
[4]高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究[J]. 董维中,高铁锁,丁明松,江涛,刘庆宗. 航空学报. 2015(01)
[5]高焓非平衡气动热环境的试验模拟及影响[J]. 袁军娅,蔡国飙,杨红亮,黄建栋. 实验流体力学. 2012(06)
[6]高焓激波风洞自由流参数测量的数值重建[J]. 曾明,林贞彬,郭大华,柳军,瞿章华. 空气动力学学报. 2009(03)
[7]非平衡流模拟参数ρ∞L有效性的数值分析[J]. 曾明,林贞彬,柳军,瞿章华. 力学学报. 2009(02)
[8]钝体标模高焓风洞试验和飞行试验相关性的数值分析[J]. 董维中,乐嘉陵,高铁锁. 流体力学实验与测量. 2002(02)
[9]气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究[J]. 董维中. 空气动力学学报. 2001(02)
[10]真实气体流动的相似规律[J]. 张涵信. 空气动力学学报. 1990(01)
本文编号：3423664
【文章来源】：实验流体力学. 2019,33(03)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１ＦＤ－１５电弧风洞结构示意图Ｆｉｇ．１ＳｋｅｔｃｈｏｆＦＤ－１５ａｒｃ－ｊｅｔｔｕｎｎｅｌ
模型、方法等进行了较为充分的验证和研究［１－３］。这里针对ＦＤ－１５电弧风洞的平头热流校核试验，开展了喷管／试验段／试验模型一体化流场的数值模拟，并与试验结果进行对比，验证计算方法的合理性。计算外形如图２所示。图３为平头模型的结构示意图，平头直径１２０ｍｍ，倒角半径５ｍｍ，长５０ｍｍ，头部共有９个热流测量点。共进行了２组试验，表１给出了２组试验的风洞运行状态参数，Ｈ０为驻室气体总焓，Ｔ０为驻室温度，ｐ０为驻室总压，Ｇ为气体流量，其中总温Ｔ０通过总焓和总压使用前述的驻室高温气体组分计算方法迭代计算得出。试验气体为空气。壁面条件采用等温壁Ｔｗ＝５００Ｋ、零压力梯度、无滑移、完全催化（ＦＣＷ）和非催化（ＮＣＷ）条件，入口条件由驻室参数获得。图２一体化计算域示意图Ｆｉｇ．２Ｓｋｅｔｃｈｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎ图３平头模型示意图Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈｏｆｃｙｌｉｎｄｅｒｔｅｓｔｍｏｄｅｌ图４给出了流场参数分布云图。从图中可以看出，试验模型头部产生的弓形激波与试验段超声速气流外边界存在强烈的相互干扰，流动结构十分复杂，试验段来流存在振动温度和组分的冻结现象，高总焓（１７．５ＭＪ／ｋｇ）试验条件下来流的振动温度冻结在更高温度，同时含有更多的氮、氧原子组分。图５给出了ＮＣＷ条件下模型驻点线上温度、压力和组分质量表１风洞试验运行状态Ｔａｂｌｅ１Ｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｃｏｎｄｉ
（ｇ）氮原子分布（Ｈ０＝１７．５ＭＪ／ｋｇ）（ｈ）氮原子分布（Ｈ０＝９．８ＭＪ／ｋｇ）图４流场参数分布云图Ｆｉｇ．４Ｐａｒａｍｅｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｏｎｔｏｕｒｏｆｆｌｏｗｆｉｅｌｄ（ａ）温度分布（ｂ）部分组分质量分数分布图５沿模型对称轴线上的参数分布（ＮＣＷ条件）Ｆｉｇ．５Ｐａｒａｍｅｔｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｔｈｅａｘｉｓｏｆｔｅｓｔｍｏｄｅｌ（ＮＣＷ）分数分布，从图中可以看出，高总焓（１７．５ＭＪ／ｋｇ）试验条件下的波后振动温度和平转动温度更高，氧分子几乎完全离解，组分反应更加剧烈。图６给出了计算结果与试验数据的对比，可以看出，试验得到的热流数据值几乎处于完全催化（ＦＣＷ）热流和非催化（ＮＣＷ）热流之间，说明数值计算方法和程序适用于电弧风洞的高温气体非平衡流场气动热环境的计算。图６表面热流分布对比Ｆｉｇ．６Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｕｒｆａｃｅｈｅａｔｆｌｕｘ图７球头模型示意图Ｆｉｇ．７Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｐｈｅｒｅｔｅｓｔｍｏｄｅｌ３球头模型试验一体化数值模拟为了研究ＦＤ－１５电弧风洞的试验数据外推问题，这里选取了特征尺寸明显的球头模型作为试验模型。球头模型外形如图７所示，其头部半径为６０ｍｍ，长度为１２０ｍｍ。计算状态为：驻室总焓１７．５ＭＪ／ｋｇ，总压０．３９ＭＰａ。计算采用两温度热力学模型，化学反应模型采用５组分Ｄｕｎｎ－Ｋａｎｇ模型，壁面采用无滑移、零压力梯度和等温壁Ｔｗ＝５００Ｋ条件，
【参考文献】：
期刊论文
[1]传感器催化特性差异对气动热影响的计算分析[J]. 丁明松,董维中,高铁锁,江涛,刘庆宗. 宇航学报. 2017(12)
[2]局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析[J]. 丁明松,董维中,高铁锁,江涛,刘庆宗. 航空学报. 2018(03)
[3]高焓激波风洞喷管流场非平衡特性研究[J]. 汪球,赵伟,滕宏辉,姜宗林. 空气动力学学报. 2015(01)
[4]高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究[J]. 董维中,高铁锁,丁明松,江涛,刘庆宗. 航空学报. 2015(01)
[5]高焓非平衡气动热环境的试验模拟及影响[J]. 袁军娅,蔡国飙,杨红亮,黄建栋. 实验流体力学. 2012(06)
[6]高焓激波风洞自由流参数测量的数值重建[J]. 曾明,林贞彬,郭大华,柳军,瞿章华. 空气动力学学报. 2009(03)
[7]非平衡流模拟参数ρ∞L有效性的数值分析[J]. 曾明,林贞彬,柳军,瞿章华. 力学学报. 2009(02)
[8]钝体标模高焓风洞试验和飞行试验相关性的数值分析[J]. 董维中,乐嘉陵,高铁锁. 流体力学实验与测量. 2002(02)
[9]气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究[J]. 董维中. 空气动力学学报. 2001(02)
[10]真实气体流动的相似规律[J]. 张涵信. 空气动力学学报. 1990(01)
本文编号：3423664
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