题目：高超声速乘波构型飞行器磁流体进气道一体化研究

等离子体及磁流体技术以其新颖的技术特点和广阔的应用前景受到了国内外的密切关注，将该项技术应用到飞行器设计领域是一项富有挑战而又意义深远的课题。在上世纪九十年代俄罗斯提出应用磁流体旁路超燃冲压发动机性能的概念以来，相关的技术研究受到了美、俄等国的高度重视，但迄今相关工作尚处于机理研究与技术论证阶段。本项工作通过一维流路分析和三维数值模拟研究了磁流体旁路超燃冲压发动机的原理可行性，磁流体发生器的热电磁流动特性，飞行器前体与进气道的磁流体一体化设计，提出了磁流体旁路超燃冲压发动机的概念设计方法和准则。本项工作主要分为六个部分，对磁流体旁路超燃冲压发动机的研究取得了如下的成果：1.采用Powell准则对原始磁流体八方程模型进行修正，并通过分析该方程组的非线性场退化为线性场的特性，在Hoffmann特征向量的基础上导出了普适的特征向量。在高超声速磁流体旁路超燃冲压发动机中的磁流体流动属于低磁雷诺数流动，此时感应磁场可忽略。在本项工作中，通过对流场参数的量级分析，对低磁雷诺数下的八方程模型进行了简化，建立了考虑Hall效应和离子滑移效应、由含电磁彻体力的Navier-Stokes方程描述的磁流体五方程模型。该模型方程组在忽略感应磁场的假设下由所推导的电势Poisson方程予以封闭。2.对磁流体八方程模型发展了采用TVD格式的数值算法，并通过数值模拟磁流体激波管问题、Rayleigh问题以及Hartmann问题予以验证。同时还发展了对磁流体五方程模型采用基于严格保证熵条件的熵条件格式的数值算法，以及对电势Poisson方程采用中心差分格式的交互迭代的算法。为验证该方法的可靠性，首先推导了低磁雷诺数下磁流体Rayleigh问题和Hartmann问题的解析解，并对该问题及单电极磁流体发生器流动进行了数值模拟，并与解析解进行了对比，得到了一致的结果。3.应用准一维磁流体方程组对磁流体旁路超燃冲压发动机中内磁流体发生器的入口条件进行了分析，给出了内磁流体发生器入口条件的设计准则，并通过对不同工况下发生器性能的计算分析，得出了如下的结论：为使燃烧室入口的温度减小，内磁流体发生器入口M数的范围扩大，而且提高内磁流体发生器的发电效率，应该提高内磁流体发生器的负载因子和其入口M数。4.磁流体发生器在磁流体旁路超燃冲压发动机中处于核心地位，本项工作系统地研究了磁流体旁路超燃冲压发动机中磁流体发生器的热电磁流动特性及其物理机理，并考虑了Hall效应和离子潜行效应对发生器流动特性和性能的影响。研究结果表明：1）流动在电极壁面上发生了分离，但在核心流动区域沿磁场方向呈现出二维流动效应。2）在管道中心流动区域，电流线发生扭曲，随着磁作用数的增大而趋于明显，甚至出现涡电流。在绝缘壁面之间形成M-形的速度型。3）在绝缘体横截面的边角流场中出现一个涡状二次流，该二次流在边角上诱导出与之对应的涡电流。4）Hall效应可引起流场和电场的扭曲，从而诱导出不稳定二次流的发展与演变，并破坏Joule热的分布。5.对三维高超声速乘波构型飞行器前体与进气道进行一体化设计，针对磁流体前体和外磁流体发生器所用电子枪建立了合理的数学模型，通过对高于设计M数下不同外磁流体发生器工作状态的磁流体前体热电磁流动特性的计算分析，得出如下结论：为将高于设计M数下磁流体前体流场恢复到设计状态，同时保证外磁流体发生器获得良好的性能，并提高燃烧室入口的性能，应该增大外磁流体发生器的负载因子，提高电子枪能量和磁场强度。6.采用准一维磁流体方程组对设计M数下内磁流体发生器进行参数设计，并采用该参数利用斜激波理论设计出磁流体进气道的外形，并通过调节内磁流体发生器的磁作用数对不同算例进行三维数值模拟以满足准一维假设下设计的进气道外形。研究表明，磁流体进气道出口流动均匀参数可以作为判断内发生器最优磁作用数的准则。最后结合磁流体前体和磁流体进气道的设计，对高于设计M数下磁流体前体/磁流体进气道一体化构型的性能进行了数值模拟分析。