气体物理

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气体物理第7卷第1期封面+目录

2022, 7(1): .

115

21

摘要:

超燃冲压发动机喷管推力性能理论预测

韩信, 张子健, 马凯夫, 刘云峰

2022, 7(1): 1-8. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0888

540 HTML 237

57

摘要:
超燃冲压发动机发展60多年来，虽然取得了很大的进步，但是对其推力大小的理论评估是一个没有很好解决的问题. 超燃冲压发动机的推力主要由喷管产生，因此重点研究了喷管的推力特性. 将燃烧室出口参数作为喷管入口边界条件，利用等熵膨胀理论，通过对喷管壁面压力积分，得到了简化的无量纲推力公式，获得了影响推力大小的关键参数和物理规律. 理论分析表明，对于给定的喷管，超声速燃烧对于提高推力是有利的. 提高推力的主要途径就是提高燃烧气体的压力. 理论分析结果与数值结果吻合比较好，证明了理论分析的准确性.

并行建表化学加速算法研究及其在气相斜爆轰模拟中的应用

吴锦涛, 吕一品, 董刚, 王帅, 唐科

2022, 7(1): 9-21. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0891

212 HTML 157

24

摘要:
采用详细化学反应机理对气相斜爆轰问题开展数值计算时，由于组分之间的特征时间尺度相差很大，反应源项的直接积分（direct integration，DI）求解通常存在强烈的刚性及非线性现象，导致计算量很大. 为了在不损失计算精度的基础上有效减少化学反应过程的计算时间，针对包含2H₂+O₂详细机理的二维斜爆轰并行计算，提出两类不同的并行策略并组成一系列并行建表化学加速算法，用以取代化学反应过程的刚性求解. 结果表明，提出的所有算法均能满足二维斜爆轰计算的精度要求，并能提升反应源项的计算效率，计算结束时刻化学反应加速比最大可达3.71. 通过爆轰波流场热力学状态分布规律进一步发现，并行策略的选取对计算效率的影响由状态空间内可重复区域占可达区域的比例决定.

基于转捩SST模型凸起圆柱绕流数值研究

吕代龙, 陈少松, 周航, 徐一航

2022, 7(1): 22-29. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0879

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30

摘要:
为了研究局部凸起对边界层转捩的影响，采用转捩SST模型分别对亚临界、临界和超临界状态下带突起的圆柱绕流问题进行了数值模拟，分析了不同Reynolds数下带突起的圆柱绕流问题的近壁面流动特征以及表面时均压力与摩擦力系数的分布和凸起对圆柱表面流动分离以及转捩的影响，对比了有无凸起两侧圆柱表面时均压力、摩擦力系数的不同. 结果表明：当来流Reynolds数处于临界区时，气流在圆柱上表面凸起处形成了3个反向旋转的漩涡，之后随着θ的增大，发生了流动分离和流动转捩现象；对于不同Reynolds数下的来流，圆柱上表面的凸起可以使气流发生转捩的位置提前；圆柱上表面的凸起使流速增大、压强降低，从而导致圆柱产生升力，随着来流Reynolds数的增大，其升力逐渐变大.

交叉旋翼悬停气动性能和流场干扰

吴伟伟, 马存旺, 张练

2022, 7(1): 30-37. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0878

393 HTML 164

32

摘要:
针对交叉旋翼复杂的气动干扰问题，建立了一种适合于交叉旋翼气动分析的数值模拟方法. 该方法采用三维非定常Reynolds平均Navier-Stokes（RANS）方程来求解流场，使用动态嵌套网格方法模拟旋翼运动.使用共轴旋翼悬停实验结果验证了该方法的准确性. 利用该方法模拟了交叉旋翼在不同状态下的流场，计算了拉力和悬停效率，并与单旋翼、共轴旋翼计算结果进行对比分析，结果显示：交叉旋翼流场存在较强的涡-涡和桨-涡干扰，旋翼桨尖涡在90°/270°附近相交；交叉旋翼的拉力系数及悬停效率随旋翼中心间距增大而增大，随交叉角变化较小；在相同总距角下，交叉旋翼悬停效率高于单旋翼和共轴双旋翼3%~8%.

土卫六探测器高超声速化学非平衡特性数值计算

徐一航, 陈少松, 周航

2022, 7(1): 38-44. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0875

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17

摘要:
为了研究土卫六探测器在地球大气和土卫六大气中飞行时气动热环境的差异，采用数值模拟的方法分别对地球大气成分和土卫六大气成分下探测器前方流场内气动热环境进行了研究，得到如下结论：与地球大气条件相比，土卫六大气条件下探测器表面的热流密度较高，其峰值可达到地球大气条件的1倍以上. 探测器表面的热流密度先随着高度的减小而增加，而后当速度小于一定程度时热流密度开始减小. CH₄在激波层内发生较大程度的解离反应，置换反应生成的强辐射物CN在脱体激波之前形成一道小的激波薄层. 随着攻角的增大下，表面热流密度增加，上表面热流密度减小. 因此，当探测器以一定攻角进入大气时，下表面的热防护十分重要.

边条翼后掠角对钝头细长旋成体非对称流动的影响

袁起航, 王延奎, 李乾, 齐中阳

2022, 7(1): 45-52. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0897

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15

摘要:
为探究大迎角时边条翼前缘后掠角对钝头细长旋成体导弹绕流特性的影响，开展了模型表面测压和粒子图像测速的风洞实验，研究了亚临界Reynolds数Re=150 000、迎角α=50°条件下不同前缘后掠角固定边条翼的钝头细长旋成体非对称绕流特性. 结果表明，在边条翼上游区，后掠角增大使边条涡涡位更靠近前体物面且对称性更好，导致前体物面的压力分布更对称，截面侧向力减小；在边条翼区，后掠角增大加强了边条涡对前体非对称涡系的诱导作用；在边条翼下游区，后掠角增大减弱了边条涡对旋成体非对称涡系的诱导作用，加剧了旋成体物面的压力分布不对称性，导致截面侧向力变大.

滑动弧裂解CO₂机理

杨锐, 游滨川, 刘潇, 杨家龙, 郑洪涛, 马彪

2022, 7(1): 53-62. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0883

224 HTML 134

16

摘要:
建立了一维滑动弧裂解CO₂的反应机理模型. 利用对流冷却的特征频率计算横向气流对流引起的等离子体组分损失. 将等离子体密度和温度的数值模拟结果与文献中滑动电弧等离子体反应器的实验数据进行了对比，吻合较好. 模拟结果表明，滑动弧裂解CO₂会产生大量O和O₂等活性助燃粒子以及可燃的CO. 随着对流冷却特征频率的增加，放电过程中最大电子数密度和电子温度减小，CO₂转化率下降. 在整个CO₂裂解机制中e+CO₂→e+CO+O的贡献最大，准稳态中贡献率为90.63%，瞬态中贡献率为98.43%. 反应CO+O+M→CO₂+M对CO₂生成的贡献率最大. 在实际应用中，为提高CO₂转化率，可以通过增大放电电流，增大e+CO₂→e+CO+O的反应速率，同时选择合适的气体流量，避免过大的速度引起CO₂转化率下降.

Ar介质感应耦合等离子加热器能量转化与流动特性

朱兴营, 陈海群, 曾徽, 董永晖, 周法, 刘金涛

2022, 7(1): 63-69. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0895

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32

摘要:
对感应耦合等离子（inductively coupled plasma，ICP）加热器内能量转化过程与分布规律、流动特性的研究和认识能够为高频等离子加热器的设计提供理论指导，同时能够为加热器向大功率、多介质、广适用方向的发展提供支撑. 基于二维轴对称、层流流动和局部热力学平衡等假设条件，利用COMSOL对百千瓦级Ar介质柱状ICP加热器进行了磁场、流体传热和层流3个物理场的耦合计算，得到等离子加热器内的温度场、能量分布和流场，并对能量转化、热量传递和流动过程进行了分析. 同时，通过与光谱法测量得到温度进行对比，数值模拟模型建立的合理性得到验证. 研究结果发现：由于趋肤效应，高频感应耦合等离子加热器内最高温度区域对称分布在感应线圈覆盖区距外石英管一定距离处，中心区域温度略低. 加热器下游中心及出口一定范围内为高温区且温度均匀，之后向两侧温度不断降低.加热器内气流高速区在最底匝线圈及其下游的中心区域，加热器上部存在回流区.

射流等离子发生器实验与模拟

余涛, 杨家龙, 刘潇, 颜世林, 游滨川, 俞鸿鹏

2022, 7(1): 70-78. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0882

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22

摘要:
针对自主设计的等离子体发生器，通过实验分析了常压下等离子热射流形态的发展状况，并对常压下的空气放电特性进行了数值模拟，以等离子发生器为原型，将等离子电弧的电场、磁场、温度场以及速度场进行了直接耦合计算，得到了等离子体电弧的速度场和温度场的分布情况. 针对不同间隙对放电结果的影响进行了分析，结果表明，放电间隙由1.5 mm增大到3.5 mm时，热射流速度由41.5 m/s增大到62.4 m/s，温度由3 650 K降低到1 960 K. 当间隙过窄时，温度过高将会烧蚀电极，影响电极使用寿命.

主管部门：	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学会中国宇航出版有限责任公司

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