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气体物理

气体物理

《气体物理》由中国航天科技集团公司主管、中国航天空气动力技术研究院（主要主办单位）、中国宇航出版有限责任公司共同主办。 《气体物理》的办刊宗旨：立足航天，面向全国，全面展示和介绍气体物理理论与应用领域最新研究成果和行业动态，为科技工作者提供理论研究与工程应用交流平台。 《气体物理》主要刊载流体动力学、稀薄流动力学、等离子体动力学以及化学反应流体动力学/气体动力学等领域的理论与实践、方法与手段、技术与应用等研究，尤其重视基本现象的理论研究。 《气体物理》的发行范围：国内力学界、物理数学界、航空航天工程、国防装备研发、风工程等研发领域的研究机构、高校、部队以及其它相关部门。
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  • 国内刊号/CN：10-1384/O3
    国际刊号/ISSN：2096-1642
  • 发行周期：双月刊
    邮发代号：-
  • 主管单位：中国航天科技集团有限公司
    主办单位：中国航天空气动力技术研究院;中国宇航出版有限责任公司
气体物理-联系信息
  • 主编：李锋
  • 电话：010-68192419
  • 邮箱：qtwl@vip.163.com
  • 地址：北京市丰台区云岗西路17号
  • 邮编：100074
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气体物理 >2023年第5期

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  • 摘要：针对现代飞机设计对于高效率、高精度飞行载荷分析的迫切需求,建立了面向飞机各设计阶段考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法,并以此为基础构建了飞机各设计阶段气动弹性优化框架,以加快各阶段的迭代,提高设计效率.概念设计阶段的气动力分析采用低阶面元法,可适应该阶段为确定气动外形参数范围所需的大量计算.初步设计阶段采用高阶面元法开展气动力分析,以兼顾求解精度和效率的需求.详细设计阶段的飞行载荷分析方法在基本面元法的基础上引入了外部高精度CFD气动力或试验气动力,以进一步提高飞行载荷的精度并兼顾求解效率.研究结果表明,所建立考虑静气动弹性效应的面元法飞行载荷分析方法具有较强的工程实用性,可以满足现代飞机各个设计阶段的需要.
  • 摘要：基于2.5D RANS数据和VLM耦合的方式,发展了一种考虑非线性流动效应的混合型涡格法HVLM.采用矩形直/后掠机翼两个外形的跨声速算例,通过与VLM、三维CFD计算数据的比较,对HVLM的气动力预测精度进行了分析与评估.对比结果表明,HVLM在大幅降低时间成本的前提下可以获得和三维CFD方法预测值十分接近的计算数据,对线化VLM方法的修正效果显著.然后,HVLM与悬臂梁有限元求解耦合,实现了一种面向三维机翼的快速静气动弹性数值模拟技术,并通过矩形直机翼算例进行了验证.耦合算例的时间分析数据表明,HVLM/Beam耦合的方式能够在10 s以内完成1次三维机翼静气动弹性分析,在气动/结构耦合分析、优化设计方面展示出了良好的应用前景.
  • 摘要：从飞行器刚弹耦合动力学模型出发,引入柔性机翼准定常假设,建立大柔性飞行器非线性静气动弹性气动力方程,利用非线性迭代求解思路模拟了柔性飞行器的静气动弹性响应行为,开展了大展弦比飞机静气动弹性风洞试验验证,采用气动力有限基本解与机翼的耦合计算,发现了大柔性飞机大变形状态下载荷及结构变形形式随风速的变化规律.传统基于小变形假设的线性分析方法和刚体分析由于无法考虑气动面随结构变形的曲面气动力因素和结构变形后的非线性刚度特性,均与风洞试验存在一定的误差.对于大展弦比柔性飞机的非线性静气动弹性分析十分必要.
  • 摘要：新型面对称高速飞行器面临着宽速域、宽动压飞行条件,受到此类飞行器装载与装填比要求的限制,飞行器的主要承力结构重量较低,为了突破传统结构设计方法面临的结构减重极限,文章提出了一种基于拓扑结构轻质化的优化设计方法.该方法的主要思想为根据具体的载荷工况,在优化区域中获得最优的传力路径.通过对面对称高速飞行器的舵应用此优化方法,在多种载荷作用下,获得了多级分叉的仿生结构.通过验证计算表明设计得到的结构不仅重量减轻,还能够满足静气动弹性变形与强度要求,从而验证了此方法进行结构设计的可行性.
  • 摘要：基于吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的气动布局设计方式,文章提出了一种内外流一体化流场的耦合求解方法,其中燃烧室内流场采用考虑有限速率化学反应动力学模型的一维非稳态方法求解,进气道和尾喷管外流场采用二维CFD软件计算,进气道与燃烧室在耦合界面处通过一维平均方法实现静温、静压和Mach数等参数传递.并分别以日本国家航空与航天实验室(NAL)的氢燃料燃烧室模型作为内流场验证算例,以某典型高超声速飞行器一体化模型作为内外耦合流场验证算例.研究结果表明:有限速率化学反应准一维方法能较为准确地模拟燃烧室内燃烧流场,提出的内外流场耦合方法能够有效地计算出内外流耦合效应,计算后体压力分布与理论值较接近.该方法可为超燃冲压发动机的性能快速分析和吸气式高超声速飞行器机体/推进一体化的初步分析设计提供重要参考.
  • 摘要：《气体物理》由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天空气动力技术研究院(主要主办单位)、中国宇航出版有限责任公司共同主办.国内统一连续出版物号为CN 10⁃1384/O3中文双月刊大16开.逢单月(一月、三月、五月、七月、九月、十一月)出版每年6期每期64页.
  • 摘要：等离子体流动控制激励器由于其响应速度快、激励频带宽、能量损耗低、可靠性强的优势,在航空航天领域的主动流动控制等方面得到了广泛应用.文章提出了一种新型的等离子体气动激励器——三电极共面介质阻挡放电激励器,研究了该激励器电极结构对放电特性和诱导气流速度的影响,并与传统共面介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电激励器进行了比较.结果表明(1)随着激励电压的提高,高压电极和地电极之间先出现了丝状放电并逐渐延伸到第三电极;(2)随着第三电极与高压电极之间的距离增大,诱导气流速率从2.4 m/s下降到0 m/s,而第三电极宽度的变动对诱导气流速度影响可忽略不计;(3)相同外部条件下,该激励器诱导的气流速度小于沿面介质阻挡放电激励器,但高于共面介质阻挡放电激励器.
  • 摘要：基于商用软件的等离子体数值模拟方案大多是基于标准Galerkin格式的有限元方法,在计算大气压流注放电时,存在数值振荡和伪扩散的问题,计算结果可靠性不高.针对针-板体流注放电结构,构建了修正的COMSOL Multiphysics等离子体模型.修正模型与COMSOL Multiphysics内置等离子体模块的区别主要在于增加了基于弱形式的人工稳定项.利用修正模型复现了经典的雪崩-流注转捩算例,并与经典纳秒秒冲过电压针板放电实验结果进行了对比验证.结果表明,引入修正后的商用软件模型能够克服数值振荡和伪扩散缺陷,确保等离子体数值计算的准确性和可复现性.
  • 摘要：微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数随推进剂工质气压、放电吸收功率、射频频率以及线圈匝数等因素的变化规律.结果表明,推进剂工质气压、放电吸收功率是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好的基础.
  • 摘要：对于空间环境中近乎无碰撞的等离子体,可采用Vlasov方程进行理论描述,基于Vlasov方程,讨论了等离子体湍流能量传输和耗散的过程由亚格子应力引起的尺度间的能量传输,电场做功,压强张量做功(压强张量与速度梯度张量的相互作用).通过混合Vlasov-Maxwell(HVM)数值模拟,进一步研究了能量传输通道之间的联系与区别.不同能量传输通道尽管在不同尺度起主要作用,但其空间的分布非常相似,即各能量传输通道之间存在一定的空间相关.结合近年数值模拟和卫星观测的结果,可以大致概括等离子体湍流从磁流体动力学(magnetohydrodynamic,MHD)尺度到动理学尺度的能量传输过程.
  • 摘要：采用一台高重频、快上升沿纳秒脉冲电源作为激励源,对典型的双电极合成射流激励器进行放电,通过粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)测量放电实验中激励器稳定流场特性以及发展速度.分析实验结果发现,随着重复频率的提高,合成射流的平均发展速度也随之增大,1 kHz时的平均速度最高达到28.28 m/s,并在单脉冲能量远低于微秒脉冲的情况下,实现了更快的稳态流场控制,表明高重复频率下,更多次数的脉冲放电可提高激励总能量,有效地弥补纳秒脉冲单脉冲输出能量不足的缺点.而且频率越高,流场发展速度越快,说明高重频工作模式会对输出总能量有补偿作用.
  • 摘要：为了增强等离子体激励器的扰动能力、提升等离子体气动激励的控制效果,采用高压探针、烟流显示和PIV流场测试等多种研究手段,开展了磁场加速等离子体激励器特性研究,获得了激励器不同时刻的放电图像,分析了磁场强度对激励器电学特性与诱导流场特性的影响规律.结果表明,(1)放电等离子体的定向运动速度与磁场强度成正比,磁加速等离子体的最大移动速度达到了6 m/s;(2)通过对不同剖面的诱导流场进行研究发现,磁场加速等离子体激励器能够在近壁区产生一系列涡结构.此外,该诱导流场具有显著的三维特征与非定常特性.研究结果为开展基于磁加速等离子体气动激励的流动控制奠定了基础.
  • 摘要：为提高姿轨控液体火箭发动机同轴式喷注器掺混性能,设计了简化的双股矩形射流发生器,开展了等离子体控制射流实验,获得了射流流场结构与速度分布,结果表明与单股射流类似,双股矩形射流同样具有很好的相似性,随着射流速度差的增大,相似性进一步增强,混合点逐渐靠近射流发生器出口,混合角和混合率增大,而涡量最大值减小;等离子体对射流相似性的影响较弱,主要增大了发生器出口附近的速度,缩短了射流核心区长度,增大了射流宽度和混合角,使得混合点位置移向发生器出口,扩大了高涡量值区域范围,不过3种实验工况下射流涡量和的正、负值均比较接近,混合率也非常接近,并且随着射流速度差的增大,等离子体控制效果降低;总的来说,等离子体激励器应安装在低速射流中,增大混合角比控制混合点位置对提高混合率更有效.
  • 摘要：等离子体空气动力学的历史可以追溯到20世纪太空时代自90年代中期以来这一领域的研究日益增加涵盖等离子体的流动和飞行控制、等离子体辅助燃烧、电推进、机载电力发电和磁流体热防护等领域.等离子体激励利用电场或电磁场激励没有运动部件结构简单响应频带宽参数易调节等优势受到国内外学者的广泛关注被欧美等发达国家列入重点研究发展计划.
  • 摘要：《气体物理》由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天空气动力技术研究院(主要主办单位)、中国宇航出版有限责任公司共同主办.国内统一连续出版物号为CN 10⁃1384/O3中文双月刊大16开.逢单月(一月、三月、五月、七月、九月、十一月)出版每年6期每期64页.《气体物理》主编是中国航天空气动力技术研究院李锋.第三届编辑委员会由13名高级顾问、10名副主编、76名编委组成其中中国科学院院士12名.
  • 摘要：针对飞行器气动力多源数据融合、飞行试验气动辨识问题,提出了一种基于Chebyshev-Taylor-Fourier混合级数模型函数、不确定度平衡权函数和加权最小二乘原理的多源数据融合和辨识方法.该方法采用二元Chebyshev级数、Taylor级数和Fourier级数技术建立飞行器气动模型函数,采用权函数技术平衡各数据源间的不同精度和不确定度,采用最小二乘法原理确定超定方程组解,从而获得Chebyshev-Taylor-Fourier混合级数模型函数的各项参数值,最终确定多源数据融合的飞行器气动力(力矩)系数模型函数数学表达式.典型的应用实例表明该方法高效实用、精度可靠,工程应用前景良好.
  • 摘要：针对钝头机体用嵌入式大气数据传感(flush air data sensing,FADS)系统的4类攻角求解算法及算法的求解精度进行研究.针对典型的15°钝头体外形,在Mach数Ma=2.04,3.02,5.01,攻角α=-5°~30°,侧滑角β=0°的条件下,首先基于势流理论及修正的Newton流理论建立了钝头机体用FADS系统的理论模型,并给出了典型的测压孔配置方案;然后采用经典三点式及改进三点式算法、基于线性理论的五孔探针算法、基于非线性理论的五点拟合算法、基于神经网络建模的方法及基于压力模型的加权最小二乘迭代算法,分别建立了FADS-α的4类求解算法;最后对钝头机体用FADS-α的算法求解精度进行了系统对比及论证.研究结果表明,三点式算法、改进三点式算法与加权最小二乘迭代算法精度相当,都可以比较准确地预测攻角;神经网络算法精度较好,但算法涉及的经验参数较多,且需要大批量数据集的训练及验证;拟合算法优劣明显,基于线性理论的五孔探针算法精度在小攻角时与上述几种算法精度相当,但随攻角增大(大于10°)精度下降显著;而基于非线性理论的拟合算法精度较好,但拟合过程复杂繁琐.对钝头机体用FADS-α的算法精度而言,三点式算法、改进三点式算法及加权最小二乘迭代算法是较好的计算方法.
  • 摘要：针对近地轨道飞行器所面临的上层大气层(100~300 km)空气动力学问题,对几类典型航天器构型的上层大气层气动力特性进行了分析,给出了典型气动布局在该空域的气动力基本规律,取得了对上层大气层气动力关键影响因素的初步认识.在上层大气层,飞行器的绕流属于自由分子流状态.研究发现,气体分子与不同材质物面的相互作用反映出截然不同的升力和阻力特性.对于1 m2气动受力面的飞行器,在100~200 km轨道高度存在大于1 mN的气动力,在接近300 km轨道高度时受到的气动力则远小于1 mN.在一般条件下,飞行器的升阻比小于1.但是,当物面适应系数约为0.2时,在100~200 km轨道高度存在升阻比大于1的状态,这一特点体现了上层大气层气动力学的基本特性.据此认为,100~200 km是气动力可利用的飞行空域,在此空域开展上层大气层空气动力学研究,对于未来发展上层大气层飞行器意义重大.
  • 摘要：具有大尺度分离区的高超声速分离-再附流动中会在再附点后产生极大的热流峰值.通过分析再附点后局部区域的流动和传热特征,提出了斜驻点-三层结构模型理论框架.继而将此理论框架应用于中低Reynolds数的高超声速压缩拐角流动,提出了其再附点局域流动的外缘参数的工程求解方案,给出了对应的峰值热流值,并与数值计算结果做了对比验证.最后,利用该理论研究了分离区的大小和分离时边界层的厚度对峰值热流的影响规律.
  • 摘要：基于从稀薄流到连续流的跨流域气体动理论统一算法(gas-kinetic unified algorithm,GKUA),通过数值求解考虑转动自由度激发的Boltzmann-Rykov模型方程,得到了一种跨流域非定常流动数值模拟的方法.该求解方法以Boltzmann模型方程为控制方程,在常温状态下如果考虑转动能激发的情况则选用Rykov模型.文中数值求解Rykov模型时,首先基于转动能模对速度分布函数积分以消去分子转动能量这一自变量,在速度空间应用自适应离散速度坐标法与数值积分演化更新计算技术,在位置空间应用3阶WENO空间离散格式和3阶显式Runge-Kutta时间推进.针对经典的二维Karman涡街流动现象进行数值模拟,说明该跨流域非定常流动模拟算法对于连续流区低速流动的适应性.
  • 摘要：为了研究多排跨声轴流压气机旋转失速先兆的表现形式与失速演化规律,基于自主研发的CFD软件ASPAC,通过发展动态重叠网格技术,流量出口边界条件以及节流阀边界条件,对单级跨声速压气机NASA Stage 35由近失速状态到完全失速状态的过程进行了模拟.结果表明,发展的数值模拟方法能准确地模拟多排压气机的旋转失速发展过程;均匀进气条件下,随着NASA Stage 35向失速状态逼近,某些动叶压力面前缘出现了叶顶间隙流溢流现象,促使压气机进入旋转失速状态;在失速先兆阶段,周向非均匀流动开始出现并沿压气机周向传播;当完全失速时,失速团充分发展并连续地沿周向旋转,结构几乎不随时间变化.
  • 摘要：喷雾冷却是一种高效的热控技术,为了探索形成完善的喷雾冷却技术设计流程,文章开展了喷雾冷却传热过程的建模研究.针对喷雾冷却传热过程的模拟计算,基于喷雾冷却相变传热的4个传热机制液膜对流传热、池沸腾传热、二次气泡沸腾传热、二次气泡高频化机制,利用Monte Carlo方法描述了不同粒径与速率分布的液滴撞击液膜并生成二次气泡的过程,通过液态介质中气泡生长速率的解析计算模型考虑了气泡的生长过程,并结合模化气泡与气泡之间、液滴与气泡之间、气泡与液膜之间的干涉行为描述了气泡的演化过程,通过综合液膜单相对流与气泡相变传热,发展了喷雾冷却相变传热模拟计算方法.基于喷雾冷却实验台开展了稳态喷雾冷却实验,实验校核结果表明,计算方法能够较好地模拟喷雾冷却相变传热性能.另外还分析了影响本方法计算精度的两类因素.
  • 摘要：瞬态密度场的可视化对于超声速流场复杂流动机理研究有着重要的参考价值.设计了基于脉冲激光照明的瞬态密度场可视化系统,针对非对称尖锥模型在Ф=120 mm激波风洞开展了双方向密度场可视化应用研究,获得了Ma=6条件下激波流场清晰的瞬态和长曝光背景纹影图像.研究表明,瞬态背景纹影图像曝光时间为10 ns,能够有效“冻结”超声速流场;相对于长曝光纹影图像,瞬态图像显示了更小时间尺度的流场密度场,且突起较多,分布不均匀.结果表明,瞬态密度场可视化技术能够揭示瞬态激波流场的密度场细节,为超声速和高超声速流场复杂流动机理的深入理解和研究提供了一种有效方法.
  • 摘要：文章针对高升阻比类模型气动力测量的要求,对天平校准安装角误差影响进行了初步分析,天平的单元校准中,主要有两个安装角对天平校准结果产生影响,这两个安装角分别为攻角和滚转角,研究结果表明天平的不同分量和不同校准系数对安装角误差的要求是不尽相同的,力分量以及滚转力矩校准,安装角误差可以允许在度水平上;俯仰力矩和偏航力矩校准攻角误差只能在分量级上;法向力对轴向力干扰系数校准的攻角误差,以及法向力对侧向力干扰系数校准的滚转角误差均只能允许在十分之几分或百分之几分的水平上.单纯从校准来看,法向力对轴向力的干扰系数要求攻角误差控制,以及法向力对侧向力干扰系数要求的滚转角误差控制,均非常困难;结合风洞实验测量中高升阻比模型的载荷匹配情况,这个误差控制可以适当放宽,攻角误差可以放宽到分量级上,滚转角误差仍为十分之几分量级上,天平校准时采用常规的角度测量仪器进行测量和调整均非常困难,只有配置高精度的角度测量仪器,才能满足高升阻比模型气动力测量对天平校准角度误差控制的要求.
  • 摘要：为实现民机总体方案快速评估与优化迭代设计,文章对民机增升装置前缘缝翼及后缘襟翼分别建立了基于民机噪声物理机制的预测模型,在此基础上搭建了机体噪声预测体系,开发了相应的预测工具UNICRAFT.为评估预测工具UNICRAFT的计算精度和效率,文章分别针对翼吊式布局,前缘缝翼/Fowler式襟翼形式,以及尾吊式布局,前缘缝翼双缝子翼加后退式襟翼形式的增升装置进行了计算校核验证,通过与声学风洞试验结果对比分析,验证了本文发展的预测工具及预测体系的有效性,能够实现飞机级噪声水平的高效预测.
  • 摘要：以高超声速内转式进气道流动中的激波汇聚问题为背景,考虑工程实际中的来流和壁面几何条件这两个关键因素,分别提出了以来流攻角为研究参数的非轴向来流内锥流动模型,和以长/短轴比为研究参数的椭圆入口内锥流动模型.采用激波风洞实验观测和数值模拟相结合的方法,揭示了两类流动中激波的非均匀汇聚特征.结果表明由来流攻角引起的激波初始沿周向强度分布的不均匀性会在汇聚过程中被放大,迎风面和背风面的激波差异不断加剧;来流攻角越大,初始激波强度不均匀性越强,在汇聚过程中激波面越容易出现不连续的拐折,且出现拐折后激波的汇聚效应会被削弱.由椭圆入口形成的等强度激波在初始时周向的几何不均匀性使激波在汇聚过程中出现沿长/短轴方向的强度差异,激波沿长轴方向上的强度增加更迅速;椭圆长/短轴比越大,激波初始几何不均匀性越强,在汇聚过程中长/短轴两个方向激波强度差异凸显得越快,波面越容易出现不连续的拐折,进而削弱激波的汇聚.在偏离轴对称达到一定程度时,这两种条件下的激波汇聚都会出现汇聚中心处从Mach反射向规则反射的转变.
  • 摘要：为了研究受限空间内旋流回流区的三维结构特性,采用realizable k-ε模型模拟了旋流数等于0.884时,不同受限空间内的旋流流场.受限率是影响回流区形态的重要因素,受限率大于6时,中心回流区与下游回流区是两个独立的区域,有两对涡结构;受限率在3~6之间时,中心回流区与下游回流区合并到一起,存在两对独立的涡结构;受限率小于3时,流场截面内形成一个气泡状的中心回流区,有唯一的一对涡结构.受限率在3附近时,存在一个过渡状态,回流区的形成过程与其他工况明显不同,先后出现了多螺旋、单螺旋、双螺旋的涡核进动形式,其中单螺旋和双螺旋的涡核进动方向与多螺旋涡核进动方向相反.
  • 摘要：为了更加深入了解超燃冲压发动机燃烧室中的燃料雾化机理,对来流Mach数为1.94的超声速气流中液体横向射流的雾化过程进行了数值模拟研究.计算采用Euler-Lagrange方法,液滴二次破碎模型采用K-H/R-T模型.计算结果表明考虑液滴二次破碎时,采用雾化锥模型获得的射流穿透深度以及液滴速度分布与实验结果符合得很好;初始液滴直径对射流穿透深度和液滴分布的影响很小;随着初始雾化锥角的增加,相同横截面上的射流穿透深度逐渐减小.当不考虑液滴二次破碎时,液滴穿透深度及分布与所选的初始液滴直径有很大关系.

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