音爆是小行星進(jìn)入大氣過程中的重要現(xiàn)象和造成地面危害的因素之一。隕石音爆的形成機(jī)理與超聲速飛機(jī)類似,但隕石飛行馬赫數(shù)極高,存在復(fù)雜的超高速空氣動(dòng)力學(xué)問題,如極高速進(jìn)入條件下的氣動(dòng)力與軌跡、氣動(dòng)加熱與燒蝕、高溫氣體效應(yīng)等,現(xiàn)有理論和模型尚不完備。本文提出了一種仿真和試驗(yàn)結(jié)合的隕石音爆問題研究策略,并介紹了彈道靶隕石音爆試驗(yàn)方法和初步測量結(jié)果,數(shù)據(jù)顯示在3.5km/s速度和地表常壓環(huán)境下, 50mm長的球頭柱裙模型在距其約22倍特征長度位置產(chǎn)生的峰值超壓達(dá)到約35kPa。采用理想氣體假設(shè)的簡化計(jì)算仿真得到的音爆波形與試驗(yàn)測量結(jié)果相似,但峰值超壓高于實(shí)測結(jié)果。

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圖1平面行波聲壓波形的畸變過程

經(jīng)典的音爆傳播模型,針對于亞聲速和一般超聲速均勻流動(dòng),采用小擾動(dòng)假設(shè)將基本方程線性化(但是對于跨聲速和高超聲速流動(dòng),基本方程簡化后仍然是非線性的),得到的表征擾動(dòng)傳播方向的特性線是一系列角度等于馬赫角的平行線。而如前所述,實(shí)際超聲速擾動(dòng)波的傳播速度是受到當(dāng)?shù)芈晧汉蛿_動(dòng)速度變化影響....

圖2音爆傳播問題分區(qū)計(jì)算策略

由于音爆研究空間尺度較大,當(dāng)前主流的方法是將計(jì)算域劃分為近中場和遠(yuǎn)場兩個(gè)區(qū)域,如圖2所示。近中場一般采用可壓縮流動(dòng)的CFD代碼計(jì)算。遠(yuǎn)場計(jì)算以近中場CFD結(jié)果為輸入條件外推到地表,其中涉及到壓力波在分層大氣的傳輸,風(fēng)場和湍流、溫濕度等的影響。遠(yuǎn)場的計(jì)算結(jié)果是評估音爆對地面人和建筑....

圖3Cart3D軟件AXIE模型音爆計(jì)算網(wǎng)格優(yōu)化結(jié)果

音爆的飛行試驗(yàn)采用地面布設(shè)的麥克風(fēng)測量超音速飛機(jī)以不同高度、飛行參數(shù)和氣候條件下掠過時(shí)的信號,通過對比分析理解和研究音爆的特性,校核和改進(jìn)預(yù)測方法。1950—2000年,美國針對飛機(jī)音爆先后開展了10余項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目。早期的試驗(yàn)研究主要驗(yàn)證Whitham理論關(guān)于N形波幅值和長度與飛機(jī)....

圖4HFFAF彈道靶自由飛模型的紋影圖像和音爆波測量結(jié)果

一是需要發(fā)展極高速條件下隕石近場流場和激波強(qiáng)度的計(jì)算模擬方法。隕石進(jìn)入過程存在復(fù)雜的超高速空氣動(dòng)力學(xué)問題,如極高速進(jìn)入條件下的氣動(dòng)力與軌跡、氣動(dòng)加熱與燒蝕、高溫氣體效應(yīng)等,而這些均屬于當(dāng)前空氣動(dòng)力學(xué)的難題。只有解決這些基礎(chǔ)氣動(dòng)問題,建立相應(yīng)的物理模型才可能較準(zhǔn)確預(yù)測隕石近場激波結(jié)....

本文編號：3951170