气体物理

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气体物理第8卷第1期封面+目录

2023, 8(1): .

93

24

摘要:

空间电推进技术发展及应用展望

耿海, 李婧, 吴辰宸, 孙新锋, 王紫桐, 贾艳辉, 王尚民, 李兴达, 蒲彦旭

2023, 8(1): 1-16. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0977

209 HTML 47

27

摘要:
我国空间电推进技术已进入成熟和全面应用的新阶段。为进一步促进电推进技术发展, 加速推动空间动力领域技术进步, 采用调研、对比分析的方法, 以功率为划分标准, 重点结合未来空间任务对电推进的应用需求, 针对电推进各技术方向的特点, 从"中、微、超"3个功率区间对空间电推进进行了分类综述。总结了国内外电推进技术的发展现状和存在的不足, 提出了需要攻克的关键难点, 研判了发展的主要趋势, 归纳了存在的共性问题, 提出了未来10年空间电推进技术的发展建议, 供我国卫星用户、总体单位和空间电推进专业技术单位参考。

太阳与地磁活动对超低轨重力卫星电推进系统工作的影响

汪林蔚, 崔凯, 于达仁

2023, 8(1): 17-25. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0988

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13

摘要:
面向当前第25太阳活动周, 评估太阳与地磁活动对超低轨重力卫星电推进系统工作的影响。通过对超低轨道重力卫星进行轨道仿真和分析GOCE任务数据, 得出大气阻力的变化规律, 并获得了太阳活动极大年附近任务和极小年附近任务对携带工质量的影响、地磁暴对电推进系统保持"无拖曳"工作的影响。结果表明: 其余情况相同下, 卫星在太阳活动低年附近任务的工作轨道高度可较高年降低约20 km, 有利于提高重力信号强度。强地磁暴通常引起超低轨道卫星阻力增加30%~90%, 飞行控制需为克服地磁暴影响留足够的推力裕度。推力器设计应保证最大推力的10%~70%推力区间具有高比冲, 且着重考虑此区间的寿命问题。

低气压离子风推进器仿真与实验

全荣辉, 王博, 姚韵嘉

2023, 8(1): 26-35. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.1011

203 HTML 33

26

摘要:
离子风动力具有无需机械旋转部件、低功耗及低噪声等优点, 在平流层飞艇和太阳能飞机上具有重要的应用潜力。模拟临近空间的低气压环境, 采用"线-柱"电极结构电晕放电装置产生离子风, 实验测量不同放电条件下离子风推进器产生的推力和推功比, 研究了气压、放电电压、电极间隙对离子风动力的影响。仿真和实验结果表明, 气压的降低会导致推进器推功比的下降, 具体表现为: 当电极间隙为2.0 cm, 最大推功比由1 atm (1 atm＝101325 Pa)时的17.70 mN/W降低至0.02 atm时的0.24 mN/W; 而推功比的损失可以通过增大电极间隙来补偿, 当电极间隙增加至14 cm, 在0.02 atm的气压环境下, 推功比由0.24 mN/W升至0.70 mN/W。通过优化离子风推进器结构, 增加电极间隙, 离子风动力具备低气压环境下的应用潜力。

斜激波与轴对称边界层干扰的数值模拟

杨柳青, 李沁, 尤延铖

2023, 8(1): 36-47. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0982

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20

摘要:
使用两方程Menter-SST模型, 对来流Mach数为3时的斜激波与轴对称边界层的相互干扰现象进行了数值模拟与定性、定量分析。研究了斜楔激波发生器楔角和来流单位Reynolds数变化对干扰区流动的影响, 总结了参数变化引起的流动分离变化规律; 此外, 还计算了与三维计算中心对称面上的入射激波等效的二维情形, 并将三维结果与二维情形进行对比, 对比结果显示中心对称面上的壁面压力系数、分离涡尺寸、涡量分布等与相应的二维情形存在明显差异。

面向高超声速飞行器的激波智能预测方法

朱元浩, 王岳青, 杨志供, 孙国鹏, 宗文刚, 曾磊, 陈坚强

2023, 8(1): 48-57. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0985

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36

摘要:
高超声速飞行器激波位置的准确预测能够有效提升数值模拟的精度和效率。一方面, 对高超声速飞行器激波附近网格进行正交和加密处理, 可有效提升数值计算精度; 另一方面, 使用高超声速飞行器激波位置对计算网格进行修正, 能够加速CFD计算收敛过程。提出了一种基于机器学习的高超声速飞行器激波智能预测方法, 对典型高超声速飞行器外形进行激波位置的高效准确预测。首先, 针对典型高超声速飞行器外形和典型飞行状态, 使用数值模拟方法获得收敛的流场, 并采用基于Mach数等值线的激波提取方法, 从流场中判别激波面并提取构成激波面的关键点位置, 形成训练数据; 然后采用有监督学习算法, 学习关键点位置, 并利用二次曲线沿流向拟合关键点形成初步的激波线族; 最后, 基于剖面压力云图, 构造基于投影压力图像的智能预测神经网络, 对初步形成的激波线族进行修正, 并获得三维激波面。大量的实验结果表明, 激波预测模型能够对高超声速飞行器激波位置做出准确预测, 预测的激波面与CFD数值计算结果中提取的激波面误差在10^-4量级。

高超声速再入体表面热解烧蚀效应数值模拟

高铁锁, 丁明松, 傅杨奥骁, 江涛, 董维中, 刘庆宗

2023, 8(1): 58-67. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0986

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35

摘要:
表面防热材料热解与烧蚀效应研究在高超声速飞行器总体设计中具有重要应用价值。以热解烧蚀效应对飞行器目标特性及通信性能影响的预测评估为背景, 从化学非平衡气体动力学方程及固体热传导方程出发, 建立了气-固交界面上热解烧蚀壁面边界条件的一般形式及热物理化学模型, 发展了高超声速再入体绕流流场与表面材料内部温度场耦合求解的数值模拟方法, 并对计算模型和数值方法的可靠性进行了验证分析。在此基础上针对复杂外形再入体及表面硅基防热材料, 开展了典型再入条件下再入体绕流及尾流流场的数值模拟, 重点分析了表面材料热解烧蚀效应对流场等离子体分布的影响。研究表明: 在表面材料中不含碱金属杂质的情况下, 热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布影响较小, 而在含有微量碱金属杂质的情况下, 热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布及化学组分分布具有很大影响, 由此对再入目标特性与电磁通信性能带来的影响不容忽视。

八叉树网格到非结构混合网格的转换

黄楚芸, 蔡庆东

2023, 8(1): 68-78. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0970

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16

摘要:
在数值模拟中, 非结构网格的优势是可以采用相同的数值格式统一处理任意复杂的计算区域, 但在网格生成过程中难度大, 并且不容易控制网格质量。树结构网格可以认为是介于结构网格和非结构网格之间的一种网格, 目前已经有相对成熟的方法快速在复杂区域内生成二维四叉树网格和三维八叉树网格。在实际应用中, 数值方法往往需要在连接协调的非结构网格上做离散, 树结构网格中不同尺寸的网格之间连接不是协调的, 在应用上会受到很多限制。文章实现了树结构网格到非结构混合网格的转换, 这种转换在二维情况下就是将四叉树网格转换为非结构三角形和四边形的混合网格, 三维情况下则将八叉树网格转换为非结构混合网格。这一转换过程的难点在于需要考虑数千种不同的八叉树单元, 并给出能实现连接协调的非结构混合网格划分。可以出现的网格单元包括六面体、三棱柱、金字塔和四面体这4种不同情况。通过特别的分类, 实现了程序的自动生成, 这种程序自动生成技术一方面可以避免人工编写大量程序时的失误, 另一方面也使得对数以千计的不同情况的处理成为可能。通过对几个简单网格的测试, 对网格数据转换方法做了初步的验证。

气-液组合横向射流中气体种类的影响

晏成龙, 赵家丰, 舒晨, 李婉芸, 林伟

2023, 8(1): 79-88. doi: 10.19527/j.cnki.2096-1642.0976

118 HTML 32

9

摘要:
吸气式旋转爆震发动机中燃料的良好雾化对爆震燃烧的组织极其重要, 气-液组合横向射流是其中一种重要的燃料喷注技术。为获取气体种类在超声速来流中对其的影响, 通过数值方法对液体射流穿透深度和辅助射流气体分布进行研究。采用Euler-Lagrange方法研究不同气体射流对液体射流的作用规律, 结果表明: 气体射流通过激波结构降低局部来流动量通量提升液体射流穿透深度, 相同的来流条件下气体射流动量通量越大, 液体射流穿透深度越高, 且主要影响扩张段之前的流场区域, 气体种类的变化对于后场液体射流穿透深度和雾化特性几乎无影响。

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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