超聲速
關注創建者：Oler 創建時間：2019-05-07
超聲速的實例教程
航空二維非結構SU2
二維超聲速空腔非定常流動計算報告
二維超聲速空腔
空腔外形在內埋武器艙、起落架艙、超燃沖壓發動機燃燒室等先進飛行器部件中有著廣泛應用。本文以參考文獻（Zhang and Rona, 1998, Journal of Sound and Vibration）提供的空腔外形為對象，采用ddes方法計算二維超聲速空腔流動，檢驗SU2對于超聲速非定常流場的模擬能力。
圖 1 二維超聲速空腔試驗紋影結果
表 1 二維超聲速空腔試驗參數
參數名稱
馬赫數 1.5 空腔長度L 0.045 m 空腔深度D 0.015 m 空腔寬度W 0.114 m 雷諾數Re（參考長度為L） 1.35×10^6^
2.網格生成
計算網格直接在pointwise軟件中生成，網格包括空腔內部及平板上方兩個網格塊。空腔內部網格塊為321×149個網格點，平板上方網格塊為1011×359個網格點。平板上方邊界層內第一層網格高度為4.5×10^-7^米。
展開 二維超聲速空腔非定常流動計算報告
二維超聲速空腔
空腔外形在內埋武器艙、起落架艙、超燃沖壓發動機燃燒室等先進飛行器部件中有著廣泛應用。本文以參考文獻（Zhang and Rona, 1998, Journal of Sound and Vibration）提供的空腔外形為對象，采用ddes方法計算二維超聲速空腔流動，檢驗SU2對于超聲速非定常流場的模擬能力。
圖 1 二維超聲速空腔試驗紋影結果
表 1 二維超聲速空腔試驗參數
參數名稱
參數值
馬赫數
1.5
空腔長度L
0.045 m
空腔深度D
0.015 m
空腔寬度W
0.114 m
雷諾數Re（參考長度為L）
1.35×106
2.網格生成
計算網格直接在pointwise軟件中生成，網格包括空腔內部及平板上方兩個網格塊。空腔內部網格塊為321×149個網格點，平板上方網格塊為1011×359個網格點。平板上方邊界層內第一層網格高度為4.5×10^-7^米。
展開 本文以參考文獻（Zhang and Rona, 1998, Journal of Sound and Vibration）提供的空腔外形為對象，采用ddes方法計算二維超聲速空腔流動，檢驗SU2對于超聲速非定常流場的模擬能力。
圖 1 二維超聲速空腔試驗紋影結果
2.網格生成
計算網格直接在pointwise軟件中生成，網格包括空腔內部及平板上方兩個網格塊。空腔內部網格塊為321×149個網格點，平板上方網格塊為1011×359個網格點。平板上方邊界層內第一層網格高度為4.5×10-7米。
（a）二維空腔流動全局計算網格（i，j方向每8個網格點顯示1個）
（b）二維空腔流動局部計算網格（i，j方向每4個網格點顯示1個）
3.SU2求解器設置
3.1 流場求解cfg文件設置
下面介紹二維超聲速空腔算例的參數設置。
展開 距離上次民用超聲速飛行已有15年，未來幾年可能就將迎接超聲速運輸機（SST）的回歸，目前3家美國初創公司正在開發新一代超聲速民用飛機。Aerion和Spike正在開發超聲速公務機，Boom公司正在開發能乘坐55人的客機。雖然3家公司都宣稱能克服當年“協和”超聲速客機的油耗與噪聲問題，但國際清潔運輸委員會（ICCT）的新報告認為，這些新飛機將在飛機污染、噪聲和CO2排放方面超過國際標準。
亞聲速民機的國際標準由國際民航組織（ICAO）設立，其環境委員會CAEP正在開發針對未來超聲速民機的標準，討論關注焦點在聲爆測量和建立超聲速噪聲取證的飛行試驗技術程序。ICAO表示已取得進展并預計在2020到2025年會出現超聲速民機的取證。
位于美國的ICCT的分析暗示，這些近期的民用SST很可能不滿足已有的亞聲速民機ICAO效率和污染物排放標準，除非采用全新設計的發動機。ICCT預計，如果基于已有發動機的派生型，SST的氮氧化物(NOx)和CO2排放可能分別超出限制40%和70%。ICCT建模顯示，其每座耗油是類似亞聲速飛機的5至7倍。
超聲速飛機模型在大部分可能構型條件下，超出亞聲速飛機允許的著陸與起飛（LTO）NOx限制38%，超出CO2折合限制52%到115%，大部分情況下超出67%。ICCT的一項定量噪聲分析顯示，近期的SST設計不能滿足ICAO 2018年的LTO亞聲速噪聲標準。
由于3家SST公司關于其設計的環境影響的信息透露的很少，ICCT表示其依賴的是公開的可獲得的數據、專家工程判斷和一個公開來源概念飛機設計工具。該項研究沒有研究如聲爆、顆粒物和水蒸氣等其他環境影響因素。
（航空工業發展研究中心 吳蔚）
展開 他們發現面心立方晶體材料中的螺位錯不僅能超聲速，并能穩定地以聲速運動。相關結果以"Supersonic Screw Dislocation Gliding at the Shear Wave Speed"為題發表在物理評論快報上（Physical Review Letters 122,045501 (2019)）。
金屬晶體的強度跟韌性很大程度上取決于位錯的運動性質，特別是螺位錯在材料的強度和變形能力中扮演重要角色。然而位錯的速度極限和確切的速度–應力關系尚不明確。傳統理論認為位錯超聲速運動所需能量具有奇異性，盡管后續的理論和模擬研究都表明位錯可以超聲速運動，但這些研究集中于刃位錯。該團隊利用分子尺度計算和理論分析，發現銅晶體中的螺型全位錯和螺型孿晶界不全位錯都能穩定地以聲速滑移，并都能超聲速運動(超過三個各向異性剪切波速，如下圖中的三個馬赫錐所示)。由于螺位錯運動過程存在結構不穩定性，超聲速螺位錯還是首次被模擬發現。同時，他們的工作表明，位錯的運動還與非施密特應力(不貢獻分解剪應力RSS)有關，與傳統施密特原理相悖。這項研究推翻了傳統連續介質力學中對超聲速位錯的認知，確認了超聲速螺位錯的存在。該研究結果為晶體材料的動態力學行為，以及孿晶界面的位錯運動提供更深入的理解。
各向異性晶體銅中超聲速螺位錯所產生的主要剪應力場（左側）以及其在超聲速運動時，突破三個剪切波過程中產生的馬赫錐
力學所彭神佑博士為論文第一作者，魏宇杰研究員為通訊作者，論文作者還包括上海交大金朝暉教授，浙江大學楊衛院士。該項目得到國家自然科學基金(Grants NO. 11425211 和 NO. 11790291)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB22020200)的支持，計算模擬得到中科院超級計算中心支持。
相關文章 Phys. Rev.
展開 
超聲速的最新內容
這些方法在掠翼橫流控制的亞音速、跨音速和超聲速流動中的應用是有限的。由于壓力梯度較弱，自然層流飛行器的層流擴展區面臨著巨大的挑戰。在自動分析中，存在翼體連接，掛塔，天線，空氣數據探頭和其他突起很難被包括在內。后掠翼層流設計的預測是另一個挑戰。混合層流系統的實際建模能力有限。中小規模無人機低雷諾數邊界層的擴展區域需要高保真的預測方法。目前還沒有確定的自動化方法來解釋低壓渦輪中的曲率和尾跡效應。
但是，大多數情況下，我們事先并不清楚流場的哪些區域流動參數會發生劇烈變化，如超聲速情況下流場中會出現激波，而激波導致物理量的強間斷，為了得到清晰的流場結構，就必須在激波區域加密網格。
相對不可壓邊界層研究，關于可壓縮邊界層中結構演變的實驗研究很少，特別是在超聲速或高超聲速邊界層中。在超聲速流動中，這些過程通常發生在微秒級的時間尺度上，在這樣的時間尺度上，很難通過實驗獲得多幅高分辨率的流動可視化圖像。超聲速或高超聲速流動演變的實驗研究提出了重大挑戰。因為要跟蹤高速流的結構演變，需要以快速（kHz甚至MHz）的重復率采集圖像。此外，需要非常短的曝光時間來解析瞬時流動特征。
10.滑動邊界條件 - 用于模擬墻上部分滑動的條件
11.諾依曼邊界條件 - 用于指定邊界上字段的導數
12.自由流邊界條件 - 用于指定自由流的條件
13.總壓邊界條件 - 用于指定入口或出口的總壓
14.總溫度邊界條件 - 用于指定入口或出口的總溫度
15.熱流邊界條件 - 用于指定熱流條件，如熱源或冷卻器
16.紊流邊界條件 - 用于模擬紊流或高紊流條件
17.超聲速邊界條件
后臺階流動案例殘差收斂情況對比（圖源：symscape.com）
對于流動狀態復雜的問題（例如超聲速流動），求解器的自適應加密功能可自動判斷并加密單元數量不足的區域，從而保證求解的準確性。
5、INTESIM-CFD
通用流體分析軟件INTESIM-CFD具備一體化前后處理及復雜流場仿真能力，支持從不可壓到亞、跨、超聲速的全速流體力學計算，為重點行業的各應用領域提供解決方案。
軟件集幾何建模、網格剖分、物理場設置及結果可視化于統一界面，支持仿真分析全流程腳本化。
這些結果極大地鼓舞了航空工業發展自然層流超聲速機翼技術的信心。
相比低跨聲速層流機翼，超聲速層流機翼在流動特征上表現為高馬赫數導致強壓縮性，盡管壓縮性增強帶來的氣動阻尼效應有利于抑制二維TS擾動波的發展，但大后掠高雷諾數下橫流不穩定性更加強烈，三維TS斜波和橫流行波成為可能主導轉捩的不穩定模態。牛海波等開展的風洞試驗結果表明，馬赫數6時機翼前緣轉捩主要由橫流主導。
超聲速飛行器飛行速度大，為減小激波阻力，提高臨界馬赫數，常采用小展弦比機翼、細長機身構型，同時采用鴨翼、邊條翼等設計增加低速下的升力，如何在提高飛行速度的同時降低波阻是超聲速飛行器的重點研究方向。當飛行速度進一步增加時，易形成升阻比屏障。
與F-22最大的區別在于其彈艙布置：串列的彈艙布置設計使其機身橫截面積變化較為緩和，這有利于減小跨超聲速阻力。同時，作為雙發飛機，串列彈艙的設計也大大降低了設計難度。
雖然這樣會引起機尾發動機間距較大所帶來干擾阻力增加問題，但總體上看其依然是一個相對容易實現的、不會導致阻力更大、且能容納較多武器的設計。
F-100（超級佩刀）是世界上第一種具有超聲速平飛能力的實用化噴氣式戰斗機。首次較大量地應用鈦合金。接替F-86，1953年服役，共生產2350多架，是美國空軍在越戰中使用的主要型號之一。
米格-19是世界上第一種批量生產的超聲速戰斗機。1950年研制，1955年服役。最大起飛重量8832千克，最大飛行速度1.36馬赫（1,455千米/小時）。
