高焓流动气动热和电子密度特性实验研究

• 作 者: 汪球
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2013年期
• 关键词: 高焓流动 气动热 电子密度 静电探针 铜箔量热计 数值模拟

“热障”及“黑障”作为高超声速飞行中出现的典型气动物理现象，是当前高超声速领域研究的前沿热点之一。反映这些现象的主要表现特征是高超声速飞行器气动热环境及电子密度特性，这也是高焓流动的重要研究内容。所以，深入开展相关研究对于高超声速科技和高温气体动力学的发展具有重要的指导意义。高焓激波风洞是当前高焓流动规律研究中能够试验模拟高焓气流环境的有效地面设备。本文采用实验和数值模拟相结合的方法，对高焓试验气流的产生方法、喷管气流的非平衡特性、高焓流动条件下的气动热环境、模型表面电子密度特性及其相关的测试技术开展了研究。论文主要研究内容概括如下:　　
(1)在JF-10高焓激波风洞上，开展提升风洞试验状态稳定性相关的激波风洞技术及喷管流场特性研究对于开展高焓流动实验具有重要意义。本文通过研究JF-10高焓激波风洞的爆轰驱动技术，发展了双点火延迟起爆方法，解决了正向爆轰驱动主膜掉膜的技术难题，改善了试验气流品质及状态重复性。在此基础上，采用数值方法对风洞喷管非平衡气流特性进行了研究，分析了喷管气流非平衡程度及变化规律，对于试验结果的评估提供了依据。　　
(2)针对高焓气流特殊气动热环境测量的要求，选择了铜箔量热计作为热流传感器，通过分析传感器测热原理及其制作工艺，研究了影响精度的非理想性因素及其规律，提出了改进传感器精度的制作途径、工艺条件、标定等技术。在此基础上，通过高焓风洞标模的热流测量检验了新型热流传感器;最后，结合数值方法研究了高焓流动条件下典型钝锥模型的气动热环境特性，并探索了试验气流非平衡特性对气动热的影响规律。　　
(3)针对高焓流动电子密度对测试方法要求的特殊性，选择了能够获得足够空间分辨率且不影响流场结构的针状静电探针，系统分析了高焓风洞环境下电子密度测量的影响因素，并采用参考探针电路，解决了高焓风洞电子密度测量中弱信号下的噪音干扰问题。在此基础上，选择有飞行试验数据的RAM-C模型对含11组元空气化学反应模型的数值程序进行了验证，并结合高焓风洞上10°尖劈表面电子密度测量结果，探讨了模型表面电子密度特性，分析了边界条件、特征尺度对电子密度的影响规律。