北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所

目錄TOC\o"1-2"\h\u15375物理氣體動力學(xué)研究進(jìn)展 326761基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)研究 3186021.1高精度物性參數(shù)計算方法 3267591.2寬溫域氣體狀態(tài)方程理論 4136691.3高溫高壓爆轟精密爆轟建模 5219151.4高溫高壓CFD方法 5317351.4.1高精度數(shù)值格式 5249801.4.2基于混合建模的多流體數(shù)值方法研究 675791.4.3高溫高壓CFD軟件 6322871.5高溫高壓界面不穩(wěn)定性與混合理論 7197701.6氣動物理學(xué)理論 10170631.6.1氣動-輻射學(xué) 10235711.6.2氣動-電磁學(xué) 10319801.6.3氣動-光學(xué) 1111431.6.4氣動-聲學(xué) 12233611.6.5氣動流場干擾 12193491.7等離子體利用技術(shù) 1396551.7.1再入飛行器熱防護(hù)設(shè)計中氣動熱環(huán)境預(yù)測 13149491.7.2等離子體預(yù)測 13260581.7.3等離子體流動控制 13284721.7.4等離子體隱身技術(shù) 1962171.8主動熱防護(hù)技術(shù) 19216211.8.1對流冷卻技術(shù) 1990941.8.2發(fā)汗冷卻技術(shù) 19282941.8.3氣膜冷卻技術(shù) 19235792科研試驗基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施 195272.1電弧風(fēng)洞 19298942.2高頻感應(yīng)風(fēng)洞 1973872.3爆轟激波風(fēng)洞 20230762.4自由飛彈道靶 2079673試驗測試技術(shù) 20167313.1高溫氣體研究試驗方法 2041103.2非接觸高溫氣體光譜測試手段 20104793.3非接觸溫度測試手段 2081443.4火箭彈飛行試驗技術(shù) 20177443.5等離子體電子密度、電子溫度靜電探針測量技術(shù) 2126433.6氣動物理效應(yīng)測試技術(shù) 21243043.7激波或加速度加載氣體界面不穩(wěn)定性實驗方法 21270314在國防與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的應(yīng)用 2355935展望 23物理氣體動力學(xué)研究進(jìn)展物理氣體動力學(xué)是與經(jīng)典氣體動力學(xué)相對而言的，它的學(xué)科內(nèi)涵是處理宏觀流動現(xiàn)象時必須考慮微觀物理特性或者需要用微觀理論來解釋宏觀氣流參數(shù)，它是氣體動力學(xué)與物理力學(xué)交叉的技術(shù)學(xué)科。近代工程技術(shù)經(jīng)常面臨著高溫、高壓等極端條件，例如，導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、載人飛船、航天飛機(jī)等航天器再入大氣層的飛行過程，慣性約束聚變、核武器中氘氚氣體匯聚壓縮時發(fā)生的聚變核反應(yīng)過程等，這些流動氣體的關(guān)鍵物質(zhì)特性參數(shù)或狀態(tài)方程難以通過實驗手段給出，往往需要通過理論計算給予確定。在確定這些高溫、高壓下的氣體物質(zhì)特性參數(shù)時，考慮到氣體是由大量的原子、分子組成，組成氣體的原子、分子的結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用，是氣體在高溫、高壓等外因條件下物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生變化的內(nèi)因，因而可以根據(jù)氣體在原子、分子層次的微觀結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動規(guī)律，利用近代物理學(xué)和近代化學(xué)的成就，通過理論分析和數(shù)值計算得出氣體的宏觀性質(zhì)，并對其宏觀現(xiàn)象和運(yùn)動規(guī)律做出微觀解釋。由于高溫、高壓條件下氣體流動的物質(zhì)特性參數(shù)必須通過近代非經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行描述，因此物理氣體動力學(xué)的基本學(xué)科包括：高速和超高速氣體動力學(xué)、分子運(yùn)動論、統(tǒng)計力學(xué)、化學(xué)熱力學(xué)、量子力學(xué)、原子分子物理以及計算數(shù)學(xué)等?？梢哉f，物理氣體動力學(xué)是近代力學(xué)應(yīng)航天科技、核武器工程等國防尖端技術(shù)的迫切需要而發(fā)展起來的一門技術(shù)學(xué)科。值得指出的是，物理力學(xué)作為力學(xué)的一個分支學(xué)科，最早由我國著名科學(xué)家錢學(xué)森先生在20世紀(jì)50年代首先提出，并在20世紀(jì)60年代初出版了其經(jīng)典著作《物理力學(xué)》，涉及到物理固體動力學(xué)、物理液體動力學(xué)以及物理氣體動力學(xué)等主要領(lǐng)域的學(xué)科內(nèi)容，其中，由于氣體本身性質(zhì)更加簡單而使得物理氣體動力學(xué)領(lǐng)域更為完善。稍后的20世紀(jì)60年代中葉，美國斯坦福大學(xué)的W.G.維塞特與C.H.小克魯格出版了另一部重要著作《物理氣體動力學(xué)引論》，深入淺出地介紹了高溫氣體動力學(xué)中出現(xiàn)的有關(guān)物理和化學(xué)方面的基礎(chǔ)知識以及非平衡流動的一些基本特性。進(jìn)入20世紀(jì)80末期，美國馬里蘭大學(xué)的JohnD.小安德森出版了又一部重要著作《高超聲速和高溫氣體動力學(xué)》，更加系統(tǒng)、深入地介紹了航天技術(shù)發(fā)展以來取得的高溫氣體動力學(xué)中相關(guān)物理、化學(xué)、高速流動方面的進(jìn)展。半個世紀(jì)以來，我國廣大科技工作者在物理氣體動力學(xué)涉及到的高精度物性參數(shù)計算方法、寬溫域氣體狀態(tài)方程、高溫高壓CFD方法、高溫高壓爆轟精密爆轟建模、高溫高壓界面不穩(wěn)定性與混合理論、氣動物理學(xué)理論、等離子利用技術(shù)、主動熱防護(hù)技術(shù)等方面取得了長足的進(jìn)步，為推動我國國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步做出了應(yīng)用的貢獻(xiàn)。1基礎(chǔ)理論與前沿技術(shù)研究1.1高精度物性參數(shù)計算方法對高溫、高壓條件下的氣體流動進(jìn)行理論分析或者數(shù)值模擬時必須預(yù)先知道氣體的物質(zhì)特性參數(shù)，這些關(guān)鍵的物性參數(shù)主要有：粘性系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、不透明度、輻射吸收和發(fā)射系數(shù)、電導(dǎo)率等。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所廣泛開展了物性參數(shù)研究。通過修正Lennard-Jones勢函數(shù)，計算獲得了任意單一氣體或混合氣體的粘性系數(shù)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、物質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)。通過發(fā)展的用平均原子自洽勢計算等離子體的自由電子背景的思想，借助在Hartree-Fock-Slater自洽場原子結(jié)構(gòu)中引入背景修正計算離子組態(tài)結(jié)構(gòu)，為Boltzmann-Saha方程提供能級參數(shù)，再進(jìn)行調(diào)節(jié)共同的背景電子實現(xiàn)Saha方程與Hartree-Fock-Slater方程的耦合，實現(xiàn)自洽求解等離子體細(xì)致組態(tài)原子結(jié)構(gòu)從而提高Saha方程的計算精度，進(jìn)而計算獲得高精度的氣體等離子體的不透明度、輻射吸收和發(fā)射系數(shù)。通過在Debye-Huckel模型中考慮等離子體環(huán)境下電子與離子間相互作用的屏蔽效應(yīng)，并結(jié)合分波法計算不同Debye長度情況下電子與不同核電荷數(shù)離子散射的分波相移和微分散射截面，確定了散射波函數(shù)、分波相移和微分截面隨等離子體屏蔽參數(shù)的變化規(guī)律，再運(yùn)用Spitzer公式借助分波法計算獲得了等離子體的電導(dǎo)率。1.2寬溫域氣體狀態(tài)方程理論氣體的狀態(tài)方程也是對氣體流動進(jìn)行理論分析或者數(shù)值模擬時必須預(yù)先知道的物質(zhì)特性。近代工程技術(shù)面臨的氣體溫度范圍十分寬泛，如航天器再入大氣層時氣體溫度可達(dá)到數(shù)千度，核聚變反應(yīng)時氣體可超過一億度，在這種寬泛溫度范圍內(nèi)，氣體狀態(tài)方程的理論研究是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所廣泛開展了寬溫域氣體狀態(tài)方程理論研究。對溫度為數(shù)千度以下的混合氣體，發(fā)展了CHEQ程序，通過Gibbs自由能最小原理，借助化學(xué)平衡方程組求解混合氣體的平衡組分，獲得混合氣體的平衡方程，并采用VanderVaals等效單組分流體模型和硬球微擾理論軟球修正模型，計算獲得混合氣體的狀態(tài)方程。該方法也可以給出氣體分子在高溫高壓下的離解過程，較好地確定原分子之間和離解分子和原子相互作用勢函數(shù)，與傳統(tǒng)的由對應(yīng)狀態(tài)定律確定勢函數(shù)參數(shù)的方法相比，該方法所得到的勢函數(shù)參數(shù)在很寬的壓強(qiáng)范圍內(nèi)都能很好地描述沖擊實驗。對高溫高壓下出現(xiàn)部分離化或電離等復(fù)雜物理變化過程的混合氣體，由于這種部分離化的電子-離子系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)耦合效應(yīng)，即氣體中一部分電子仍然被束縛在原子核周圍，另一部分電子則處于游離狀態(tài)，這種狀態(tài)給理論描述氣體分子運(yùn)動帶來了很大困難，針對氣體這種部分離化狀態(tài)特點(diǎn)，發(fā)展了一系列能夠計算該狀況下氣體狀態(tài)方程的物理模型。建立了基于液體微擾論的化學(xué)圖像模型，該模型能夠比較好地描述物質(zhì)從分子到原子、從原子到離子的離解和電離過程，其不足之處是它依賴于粒子之間的詳細(xì)相互作用勢；建立了基于經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜕系碾x化電離平衡模型，這是一種近似的化學(xué)平衡模型，能夠比較好地給出氣體在該狀況下的狀態(tài)方程，其不足之處是它有一些經(jīng)驗參數(shù)需要由實驗來確定；發(fā)展了平均原子模型，該模型在概念上極為簡單，但它卻是描述該狀況下原子電離的很好模型；發(fā)展了INFERNO模型，該模型最大優(yōu)點(diǎn)是通過對共振電子態(tài)進(jìn)行特殊處理從而避免了電子電離帶來的物理量跳躍，其不足之處主要是它沒有考慮離子的熱運(yùn)動以及沒有考慮其他離子對該電子離子的關(guān)聯(lián)影響；發(fā)展了第一原理分子動力學(xué)和量子蒙特卡羅方法，這是兩種計算部分離化或電離氣體物態(tài)方程的有效方法，它們最大的特點(diǎn)是能夠在量子力學(xué)框架內(nèi)高效、準(zhǔn)確地處理分子離解、原子電離等復(fù)雜的物理過程，同時能夠?qū)怏w的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)等輸運(yùn)特性做出很好的計算，但它們的最大缺點(diǎn)是模擬的粒子數(shù)多、計算量大，并且，量子分子動力學(xué)方法向高溫條件推廣有一定的困難，量子蒙特卡羅方法向多電子束縛態(tài)的低溫條件推廣有一定的困難。1.3高溫高壓爆轟精密爆轟建模爆轟是帶劇烈化學(xué)反應(yīng)的流體力學(xué)激波沖擊流動現(xiàn)象。在高溫高壓下，假設(shè)化學(xué)反應(yīng)流動處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的經(jīng)典的ZND模型往往不再成立，必須考慮化學(xué)反應(yīng)過程中的熱力學(xué)、動力學(xué)非平衡過程。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所開展了考慮熱力學(xué)、動力學(xué)非平衡過程的精密爆轟物理建模研究。一個典型成果是構(gòu)建一個適用于爆轟過程模擬的離散Boltzmann模型，該模型由一個離散Boltzmann方程和一個唯象反應(yīng)率方程構(gòu)成。在物理建模上，它等效于一個傳統(tǒng)Navier-Stokes模型外加一個關(guān)于熱動非平衡行為的粗?；Ｐ停c傳統(tǒng)流體模型相比，它能夠提供更多的動力學(xué)和動理學(xué)信息。該模型采用16個離散速度，相比于使用33個離散速度的模型具有更高的運(yùn)算效率，模型中引入了額外自由度，通過調(diào)節(jié)額外自由度的數(shù)目，可以模擬各種不同比熱比的爆轟。采用爆轟問題中的一些經(jīng)典算例對所建立的模型進(jìn)行數(shù)值驗證，結(jié)果表明:該模型不僅對傳統(tǒng)流體模型所能模擬的爆轟問題有效，而且能夠用于一些傳統(tǒng)流體模型不能描述的非平衡過程，有利于對爆轟問題的深入認(rèn)識。另一個有意義的成果是在反應(yīng)Euler方程組基礎(chǔ)上通過考慮熱學(xué)非平衡過程建立了一種多相流動的化學(xué)反應(yīng)流體力學(xué)方法來模擬爆轟，該模型通過分析爆轟過程中的力學(xué)松弛過程以及熱學(xué)松弛過程之間的特征變化關(guān)系，認(rèn)為爆轟處于力學(xué)平衡狀態(tài)和熱學(xué)非平衡狀態(tài)，并由混合組分的熱學(xué)非平衡特性、組分內(nèi)能守恒規(guī)則以及組分狀態(tài)方程推導(dǎo)出組分的能量演化方程、組分的體積演化方程以及混合物的壓力演化方程，這樣同時也避免了不自洽定義混合物狀態(tài)方程所帶來的物理量非物理振蕩。從典型爆轟算例來看，該模型能夠更好地預(yù)測爆轟傳播過程中的關(guān)鍵特征，如VonNeumann尖峰和化學(xué)反應(yīng)區(qū)物理量分布等。1.4高溫高壓CFD方法高溫高壓條件下，輻射等因素成為重要能量形式，這時氣體動力學(xué)轉(zhuǎn)化為輻射氣體動力學(xué)。與經(jīng)典氣體動力學(xué)相比，輻射氣體動力學(xué)有共性部分，更有其非常鮮明的特征，主要差別在于，輻射擴(kuò)散或電子熱傳導(dǎo)引起能量重新分布，輻射所產(chǎn)生的內(nèi)能和壓力隨溫度、密度變化，內(nèi)能、壓力均由輻射部分和物質(zhì)部分組成并且往往具有復(fù)雜表達(dá)形式。在許多重要的實際應(yīng)用中，多介質(zhì)非平衡輻射氣體動力學(xué)問題的重要特征是高溫、高壓、高密度比，物理過程是強(qiáng)非線性的、強(qiáng)耦合的、非平衡的和強(qiáng)非均勻的，并且，輻射氣體動力學(xué)描述的時空尺度范圍非常大，同時，由于輻射氣體動力學(xué)的能量傳輸過程是一個非常復(fù)雜的過程，當(dāng)關(guān)注的時間尺度遠(yuǎn)比電子-離子平衡時間以及電子-光子平衡時間短得多時，需要用不同的溫度來表征等離子體中每一種組分的性質(zhì)，其中將能量區(qū)分為輻射能量和電子、離子的能量，這三種能量的傳輸通過輻射輸運(yùn)與電子離子熱傳導(dǎo)進(jìn)行，在傳輸過程中又要進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)換，同時輻射和電子離子能量的變化導(dǎo)致輻射壓和物質(zhì)壓強(qiáng)的非線性變化也影響氣體的運(yùn)動狀態(tài)。針對輻射氣體動力學(xué)這些特點(diǎn)，發(fā)展適應(yīng)高溫高壓條件的計算方法是必須的。1.4.1高精度數(shù)值格式清華大學(xué)提出了針對復(fù)雜狀態(tài)方程的Riemann解法器，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了適應(yīng)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的高階緊致有限體積法，該方法可克服高階有限體積方法重構(gòu)時基架單元選取的困難，提供了一種構(gòu)造非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格高階有限體積法的新思路。中國空氣動力研究與發(fā)展中心在LU-SGS隱式離散方法基礎(chǔ)上，發(fā)展了用于求解熱化學(xué)非平衡/平衡流動問題的全隱方式來處理化學(xué)反應(yīng)源項與熱力學(xué)源項，較好地解決了流動特征時間與化學(xué)反應(yīng)特征時間及能量松弛時間差異引起的數(shù)值求解“剛性”問題。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所針對輻射流動完善了能夠很好保持能量守恒性的九點(diǎn)離散差分格式：對光滑系數(shù)問題討論了九點(diǎn)格式的節(jié)點(diǎn)值計算，并針對四邊形網(wǎng)格發(fā)展了一種線性精確的離散方法；理論分析了網(wǎng)格中心量和節(jié)點(diǎn)量耦合的離散方式，在離散泛函分析方法基礎(chǔ)上提出一種離散思路，并針對多介質(zhì)間斷系數(shù)問題設(shè)計了相應(yīng)的有限體積格式，該格式克服了對偶網(wǎng)格為混合網(wǎng)格這一難點(diǎn)，并增加了反映間斷性質(zhì)的項。同時，將基于離散泛函分析方法的拋物型方程差分方法與具有并行本性的差分格式應(yīng)用于九點(diǎn)格式，改進(jìn)了網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)量的計算精度，并推導(dǎo)給出用周圍四個網(wǎng)格中心未知量二階逼近網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)未知量的方法，這些方法不僅適用于光滑系數(shù)問題還適用于間斷系數(shù)問題，在對網(wǎng)格形狀作適當(dāng)?shù)膸缀蜗拗频臈l件下證明了所得的九點(diǎn)格式是穩(wěn)定的，并且具有一階收斂率。其他九點(diǎn)格式也被提出來：先利用原始網(wǎng)格的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)生成一個Voronoi網(wǎng)格，然后在新生成的Voronoi網(wǎng)格上獨(dú)立地計算出網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)未知量，最后由九點(diǎn)格式計算網(wǎng)格中心未知量，同時，通過基于物理推導(dǎo)，給出了節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)的加權(quán)格式，通過考慮網(wǎng)格邊上法向通量的多種構(gòu)造方式并從中按照網(wǎng)格不同的變形形狀與物理量的分布，自適應(yīng)地選取兩個離散的法向通量表達(dá)式，由此推導(dǎo)出用網(wǎng)格中心量來表示的網(wǎng)格邊上離散切向通量的表達(dá)式，其中將離散切向通量看作一個整體進(jìn)行插值而不是單個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)值的插值。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所對于輻射氣體動力學(xué)構(gòu)造的計算格式也開展了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(滑移、大變形網(wǎng)格)上守恒格式的穩(wěn)定性、收斂性、健壯性、保正性分析，力圖構(gòu)造能夠同時保持無條件穩(wěn)定性與二階精度、且越過分區(qū)界面保持守恒性的并行格式。對于非線性迭代方法，繼續(xù)改進(jìn)Picard方法、JFNK方法和Picard-Newton迭代加速方法等，分析研究線性化方法的誤差，包括分裂算法與整體隱式平衡法的比較與誤差分析；給出了高精度的能量通量計算格式，包括非線性擴(kuò)散系數(shù)與能量交換系數(shù)的離散、以及輻射流體計算中擴(kuò)散系數(shù)在網(wǎng)格邊處的不同離散逼近；發(fā)展了與新的非線性迭代方法相結(jié)合的高階時間積分法、基于物理的預(yù)條件子、迭代加速方法，以及時間步長與迭代初值的選取方法；開展了多尺度擴(kuò)散問題的分析研究，對在輕介質(zhì)區(qū)三溫（兩溫）描述、重介質(zhì)區(qū)單溫描述的兩尺度擴(kuò)散計算，發(fā)展了分區(qū)界面處連接條件以及（串行和并行）區(qū)域分解算法，給出了三溫能量方程組的單溫漸近逼近解；也開展了混合單元上非線性擴(kuò)散計算格式與迭代方法。1.4.2基于混合建模的多流體數(shù)值方法研究北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所針對常用的高精度格式在接觸間斷或物質(zhì)界面處容易出現(xiàn)物理量非物理振蕩的問題，分析了常用高精度差分格式產(chǎn)生非物理振蕩的數(shù)值機(jī)理，給出了消除非物理振蕩的辦法，實現(xiàn)了可壓縮多相流問題的高精度、高分辨率數(shù)值模擬。針對多相流模型方程非守恒帶來的離散困難，分析了兩相流模型方程的波系結(jié)構(gòu)，給出了適用于兩相流模型方程的近似Riemann解，發(fā)展了能夠克服非守恒項離散困難的路徑守恒格式。1.4.3高溫高壓CFD軟件中科院力學(xué)所開發(fā)了一套高精度開源計算空氣動力學(xué)軟件：OpenCFD，該軟件包括流場高精度差分求解器OpenCFD-SC、高精度有限體積求解器OpenCFD-EC以及湍流燃燒高精度求解器OpenCFD-Comb。目前該軟件在湍流、燃燒、非平衡流動等諸多方面得到應(yīng)用。中國工程物理研究院總體工程研究所聯(lián)合中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，針對復(fù)雜氣動外形飛行器在大氣層內(nèi)的高超聲速飛行過程，正在開發(fā)一套高精度計算空氣動力學(xué)軟件HFS，該軟件支持商業(yè)軟件生成網(wǎng)格，能夠計算飛行器的平均氣動力載荷以及局部脈動壓力載荷。該軟件旨在為復(fù)雜飛行器的氣動載荷預(yù)測的提供支持。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所開發(fā)了依托YH6的大型流體計算軟件SAED，該軟件支持?jǐn)?shù)千萬網(wǎng)格規(guī)模、數(shù)千CPU并行計算，流場后處理與功能強(qiáng)大的TERAVAP銜接，具有完備的力學(xué)分析與流場分析功能；包含雷諾平均、大渦模擬、LES、DES等各種湍流模式，以及各種差分格式和算法，可以根據(jù)不同的算例進(jìn)行優(yōu)化選擇；包含化學(xué)反應(yīng)模塊，可以計算真實氣體效應(yīng)，支持從亞聲速到高超聲速的廣泛流動區(qū)域的流場計算。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所研制了LARED系列程序,該程序求解的輻射氣體動力學(xué)方程組包含多個物理過程，由質(zhì)量方程、動量方程、電子熱傳導(dǎo)方程、離子熱傳導(dǎo)方程以及輻射能量方程組成，其思想是將激光聚變中物理過程分為關(guān)鍵過程的局部模擬和考慮這些物理效應(yīng)的整體模擬，局部模擬主要針對激光等離子體相互作用過程和流體力學(xué)不穩(wěn)定性，整體模擬則對部分物理效應(yīng)采用輻射流體力學(xué)描述和計算。為克服網(wǎng)格扭曲導(dǎo)致的品質(zhì)下降問題，LARED程序中運(yùn)用了多介質(zhì)任意拉格朗日-歐拉方法，其基本思想是在每一個時間步計算完成后，根據(jù)流場、能量、網(wǎng)格分布等指標(biāo)，將網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分，得到品質(zhì)較好的新網(wǎng)格，然后將各物理量（例如密度、速度、內(nèi)能等）映射到新網(wǎng)格上再進(jìn)行下一個時間步的計算。在網(wǎng)格重新劃分步驟中，為了給網(wǎng)格更高的自由度以提高網(wǎng)格品質(zhì)，物質(zhì)界面可以不保持，即一個網(wǎng)格內(nèi)可以包含多種物質(zhì)，這種網(wǎng)格被稱為混合網(wǎng)格。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所也研制了九點(diǎn)離散格式的輻射流體力學(xué)程序RH2D，其中的輻射熱傳導(dǎo)計算方法基于積分插值處理，在任意多邊形網(wǎng)格上建立了求解二維輻射熱傳導(dǎo)方程的差分格式，該程序基于JASMIN框架，優(yōu)化了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序結(jié)構(gòu)，并且將輻射熱傳導(dǎo)分裂計算改進(jìn)為適于大規(guī)模并行的整體計算，達(dá)到程序算法改進(jìn)與程序并行的同步實現(xiàn)。1.5高溫高壓界面不穩(wěn)定性與混合理論國內(nèi)該領(lǐng)域的研究以中國工程物理研究院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)最具有代表性，其他相關(guān)單位也進(jìn)行了有意義的探索。中國工程物理研究在理論模型發(fā)展、橢圓氣柱不穩(wěn)定性、非均勻流場RM不穩(wěn)定性、非均勻激波、湍流混合統(tǒng)計分析等方面的工作較有特色。圖1所示為三種長短軸比率下橢圓氣柱界面演化的實驗和計算圖像，采用PIV和Mie散射技術(shù)觀測到了速度直方圖的單峰和雙峰結(jié)構(gòu)、渦量分布的多尺度現(xiàn)象，構(gòu)建了氣柱擴(kuò)散層初始界面的二維高斯分布，得到了漩渦運(yùn)動速度，修正了經(jīng)典RS模型，實驗、計算和理論較好符合。圖2所示為采用半高斯分布構(gòu)造了一種初始非均勻流場模型，數(shù)值模擬成功地再現(xiàn)了非均勻流場RM不穩(wěn)定性實驗過程，揭示了這類不穩(wěn)定性發(fā)生的內(nèi)在物理機(jī)制。圖3為探索建立非均勻激波沖擊界面演化實驗技術(shù)獲得的實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了有趣的孔洞結(jié)構(gòu)、界面臺階等不同于經(jīng)典界面不穩(wěn)定性的實驗現(xiàn)象，分析認(rèn)識了壓力驅(qū)動界面演化的新機(jī)理，實驗和理論分析規(guī)律良好符合，拓展了過去半個多世紀(jì)以來界面不穩(wěn)定性研究的新方向，受到了國外同行的關(guān)注和好評。同時，針對初始非均勻氣體流場的RM不穩(wěn)定性問題，開展了系列的實驗和計算研究，發(fā)現(xiàn)初始流場的密度非均勻性對于界面演化增長率有著重要影響，并且在國際上首次利用激波管裝置，結(jié)合紋影和片光高速攝影技術(shù)，實驗研究了擾動激波沖擊均勻氣體界面演化過程，并與經(jīng)典RM不穩(wěn)定性進(jìn)行了定量對比分析。針對RT不穩(wěn)定性中高密度比的前沿挑戰(zhàn)性問題，中國工程物理研究院利用果凍實驗研究了不同初始擾動對氣液界面RT流動演化的影響，研究表明，分層密度剖面會改變RT的演化動力學(xué)，且層化可壓縮性效應(yīng)較內(nèi)在可壓縮性效應(yīng)要重要得多。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所采用大渦模擬方法研究了不可壓、密度比為2的RT流動對凹槽型和方型擾動波的依賴性。針對湍流混合問題，北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所提出了一個模型來預(yù)測混合寬度和增長系數(shù)，同時，針對多介質(zhì)混合問題，通過分析網(wǎng)格中不同物質(zhì)體積組分的變化關(guān)系，建立物理上自洽合理的混合網(wǎng)格封閉模型，且所提出的混合網(wǎng)格封閉模型能夠反映混合網(wǎng)格內(nèi)不同流體壓縮性的差異，在此基礎(chǔ)上發(fā)展了能夠統(tǒng)一描述多介質(zhì)流動和多相混合流動的多流體模型方程。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在匯聚激波產(chǎn)生和復(fù)雜界面生成實驗技術(shù)，以及基于該技術(shù)的實驗方面，處于國際領(lǐng)先地位。最近，他們的工作取得突破性進(jìn)展，研究結(jié)果于2017年7月在國際物理學(xué)期刊《物理評論快報》在線發(fā)表。圖4所示為他們首次實驗獲得的匯聚激波管中界面擾動的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在反射激波再次作用之前界面擾動出現(xiàn)衰減，證明了在匯聚激波作用下存在輕重界面減速引起的RT穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的擾動增長物理模型，理論預(yù)測與實驗結(jié)果良好吻合。這些發(fā)現(xiàn)，不僅揭示了匯聚激波誘導(dǎo)界面不穩(wěn)定性的內(nèi)在機(jī)理，為相關(guān)理論和數(shù)值研究提供了可靠的實驗數(shù)據(jù)，而且有助于理解慣性約束核聚變中流體力學(xué)不穩(wěn)定性的復(fù)雜物理過程。廈門大學(xué)利用譜方法具有整體高階多項式逼近偏微分方程的解時其收斂速度取決于解的正則度，即當(dāng)解無限光滑時可以達(dá)到指數(shù)階收斂，且比任何代數(shù)階的收斂速度都快這一優(yōu)勢，發(fā)展了適用復(fù)雜湍流運(yùn)動的大渦模擬（Largeeddysimulation)的譜方法，該方法具有低耗散低色散等優(yōu)點(diǎn)，并且是介于直接數(shù)值模擬（DNS）和雷諾平均NS方程(RANS)之間的一種折衷的、適用于實際工程的計算方法，所需用的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)比直接數(shù)值模擬大大減少，這些發(fā)展的多個算法成為經(jīng)典，并被大量引用或采用，主要研究成果在網(wǎng)頁/~cjxu/SEM_mem.html上有詳細(xì)介紹。清華大學(xué)針對高超聲速邊界層Gortler失穩(wěn)和轉(zhuǎn)捩問題進(jìn)行了研究，揭示了氣體壓縮性對流動轉(zhuǎn)捩的重要影響，指出Klebanoff模態(tài)產(chǎn)生的有限幅值K型條帶可以同時有效地抑制高超聲邊界層的第一模態(tài)和Mack第二模態(tài)，該結(jié)果對高速飛行器設(shè)計以及飛行力學(xué)規(guī)律深入認(rèn)識有重要指導(dǎo)作用。圖1橢圓氣柱界面不穩(wěn)定性圖2非均勻流場RM不穩(wěn)定性圖3非均勻激波沖擊界面演化圖4柱形匯聚下氣體界面演化1.6氣動物理學(xué)理論氣動物理學(xué)主要研究飛行器與空氣相互作用時引起的物體周圍氣體物理性質(zhì)的變化及其與電磁波、光波的相互作用機(jī)理與規(guī)律，并應(yīng)用這些規(guī)律解決實際問題的一個空氣動力學(xué)分支，是空氣動力學(xué)與物理學(xué)交叉的技術(shù)學(xué)科。隨著飛行器相對于與空氣運(yùn)動速度的增加，可導(dǎo)致““聲障”、“熱障””、乃至“黑障”發(fā)生。隨著飛行器突防與氣動隱身設(shè)計、目標(biāo)的探測識別與攔截技術(shù)的發(fā)展，迫切需要綜合分析和評估飛行器目標(biāo)的光電特性、氣動光學(xué)效應(yīng)及真實氣體效應(yīng)，發(fā)展相應(yīng)的氣動物理模型、方法和試驗技術(shù)，從而拓展和有力地推動了氣動物理學(xué)的發(fā)展。氣動物理學(xué)的內(nèi)容非常廣泛，下面主要從氣動-輻射學(xué)、氣動-電磁學(xué)、氣動-光學(xué)、氣動-聲學(xué)、氣動流場干擾等五個方面簡要敘述進(jìn)展?fàn)顩r。1.6.1氣動-輻射學(xué)以預(yù)測評估飛行器繞流或發(fā)動機(jī)羽流的輻射特性及高溫氣體輻射加熱對飛行器氣動熱環(huán)境的影響為背景，中國空氣動力研究與發(fā)展中心通過理論和實驗相結(jié)合的手段，發(fā)展精細(xì)輻射模型、算法及光譜數(shù)據(jù)庫：建立了適用于飛行器發(fā)動機(jī)羽流的標(biāo)準(zhǔn)紅外輻射模型；建立了著名的非平衡空氣輻射模型，同時構(gòu)建了相關(guān)計算軟件及光譜數(shù)據(jù)庫，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)庫涵蓋的組分和光譜范圍更廣（從紫外、可見到遠(yuǎn)紅外），適用的溫度上限更高（最高溫度達(dá)18000K）。1.6.2氣動-電磁學(xué)以飛行器目標(biāo)特性預(yù)測與氣動隱身設(shè)計及等離子體對通信影響預(yù)測分析為背景，中國空氣動力研究與發(fā)展中心發(fā)展了時域有限體積（FVTD）數(shù)值方法，它采用守恒形式的控制方程，適合任意形式網(wǎng)格（貼體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格或非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格）計算網(wǎng)格，發(fā)展的計算電磁學(xué)（CEM）具有與計算流體力學(xué)（CFD）在方法上具有較好的一致性，提供了FVTD等數(shù)值方法與CFD方法融合的可能性（如針對氣動隱身問題）。1.6.3氣動-光學(xué)以流動對光波傳播與光學(xué)成像的影響機(jī)理以及氣動光學(xué)效應(yīng)的校正方法為目標(biāo)，中國空氣動力研究與發(fā)展中心和北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所開展了大量氣動-光學(xué)研究。中國空氣動力研究與發(fā)展中心應(yīng)用流體力學(xué)與光學(xué)等學(xué)科，研究流動對光波傳播與光學(xué)成像的影響機(jī)理以及氣動光學(xué)效應(yīng)的校正方法，開發(fā)了氣動光學(xué)效應(yīng)計算分析軟件包，其中包括CFD計算軟件和光學(xué)計算軟件等。目前，氣動光學(xué)效應(yīng)研究的正采用更先進(jìn)的流體理論與光學(xué)方法，如模擬湍流的大渦模擬（LES）與直接數(shù)值模擬（DNS）方法、模擬光波在流動介質(zhì)中傳輸?shù)牟▌庸鈱W(xué)方法等。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究依托大型計算機(jī)和大型流體計算軟件SAED，建設(shè)了完備的機(jī)載激光氣動光學(xué)效應(yīng)研究平臺，包括流場計算、流場分析、氣動光學(xué)效應(yīng)提取、光學(xué)效應(yīng)分析等各環(huán)節(jié)。利用該平臺對實際飛行模型的機(jī)載激光氣動光學(xué)效應(yīng)開展了三維數(shù)值模擬研究，給出了機(jī)載激光氣動光學(xué)效應(yīng)中的平均流場效應(yīng)、湍流效應(yīng)的時空特性的定量分析。研究結(jié)果指出，氣動光學(xué)效應(yīng)引起的光束質(zhì)量和光束傾斜角的平均值主要是由平均流場效應(yīng)貢獻(xiàn)的，而漲落值則主要由湍流效應(yīng)貢獻(xiàn)；平均流場效應(yīng)來源于整個繞流流場，而繞流流場的特征頻率由飛機(jī)速度和轉(zhuǎn)塔口徑以及斯特勞哈爾數(shù)決定（見圖5-6）。不同的發(fā)射方向?qū)?yīng)不同的流場區(qū)域，氣動光學(xué)效應(yīng)隨時間、發(fā)射口徑、雷諾數(shù)等變化的規(guī)律大不相同的。在迎風(fēng)方向，氣動光學(xué)效應(yīng)引起的波前畸變的絕對值和漲落值都比較小，在特定的方向波前畸變主要是穩(wěn)定低頻的平均流場效應(yīng)，湍流效應(yīng)貢獻(xiàn)很小，并且隨發(fā)射口徑增加湍流效應(yīng)幾乎不變，只有平均流場效應(yīng)增加，因此可以發(fā)揮傳統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢；天頂方向和背風(fēng)方向以及側(cè)面方向，湍流效應(yīng)的貢獻(xiàn)很大，常規(guī)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)基本無效，需要發(fā)展可預(yù)測自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，或者利用流場控制改變氣動光學(xué)效應(yīng)的時空特性（見圖7）。圖52m口徑轉(zhuǎn)塔周圍馬赫數(shù)分布隨時間變化圖62m口徑轉(zhuǎn)塔周圍流線隨時間變化圖7沿中軸線天頂角從-15度到正18度氣動光學(xué)效應(yīng)導(dǎo)致的波面變化（順來流方向為正）1.6.4氣動-聲學(xué)針對復(fù)雜空氣流動誘導(dǎo)氣動噪聲問題，中科院力學(xué)所、北京航空航天大學(xué)、中國科技大學(xué)開展了較深入的研究，如中國科技大學(xué)針對旋擰射流、Chevron射流誘導(dǎo)氣動噪聲開展了數(shù)值模擬研究，指出旋擰設(shè)立、Chevron射流能夠降低一定的噪聲水平。中國工程物理研究院總體工程研究所針對射流、混合層等自由剪切流開展氣動噪聲預(yù)測，以及探索物理聲源。1.6.5氣動流場干擾中國科技大學(xué)將運(yùn)動激波對飛行物氣動干擾問題提煉成“激波-激波”、“激波-旋渦”相互作用的學(xué)科專題，通過風(fēng)洞-激波管實驗和解析途徑，進(jìn)行了20年左右的實驗與理論研究。北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所利用自主開發(fā)的流動軟件SAED，分析了高超音速導(dǎo)彈穿越雷電、爆炸等形成的強(qiáng)源場時力學(xué)量的變化,指出高超音速飛行物遇到強(qiáng)源場后的氣動力學(xué)量峰值，遠(yuǎn)大于相遇之前的飛行物氣動力疊加上強(qiáng)源場對靜止飛行物施加的氣動載荷，沖擊波之間的非線性相互作用會放大強(qiáng)源場的影響（見圖8-9）。圖8導(dǎo)彈穿越強(qiáng)源場壓強(qiáng)變化圖像圖9導(dǎo)彈穿越強(qiáng)源場時升力系數(shù)變化圖像1.7等離子體利用技術(shù)飛行器再入大氣層過程出現(xiàn)的弓形脫體激波強(qiáng)烈壓縮作用以及飛行器與空氣之間的劇烈摩擦作用，使得飛行器周圍產(chǎn)生高密度、強(qiáng)電離的等離子層。等離子體層包含大量與電子成對出現(xiàn)的離子，其運(yùn)動在電磁場力的支配下表現(xiàn)出顯著的集體性行為，并且空氣電離會產(chǎn)生溫升和壓升。等離子體利用技術(shù)主要表現(xiàn)在如下幾方面。1.7.1再入飛行器熱防護(hù)設(shè)計中氣動熱環(huán)境預(yù)測中國空氣動力研究與發(fā)展中心考慮流場非平衡效應(yīng)、表面熱輻射效應(yīng)、催化效應(yīng)和燒蝕效應(yīng)及熱防護(hù)層內(nèi)部的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，建立初步的表面溫度分布與氣動熱的耦合計算方法。1.7.2等離子體預(yù)測中國航天空氣動力技術(shù)研究院采用經(jīng)驗證的數(shù)值模擬方法，分析氣體組分及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型對等離子體分布的影響規(guī)律和機(jī)理，獲得等離子體預(yù)測與氣體組分相關(guān)性的認(rèn)識。1.7.3等離子體流動控制物理原理：一是動力效應(yīng)，即流場中電離形成的等離子體或加入的等離子體在電磁場力作用下定向運(yùn)動，通過離子與中性氣體分子之間的動量輸運(yùn)誘導(dǎo)中性氣體分子運(yùn)動，形成等離子體氣動激勵，對流場邊界施加擾動，從而改變流場的結(jié)構(gòu)和形態(tài)；二是沖擊效應(yīng)，即流場中的部分空氣或外加氣體電離時產(chǎn)生局部溫升和壓升，形成等離子體氣動激勵，對流場局部施加擾動，從而改變流場的結(jié)構(gòu)和形態(tài)；三是物性改變，即等離子體改變氣流的物性、黏性和熱傳導(dǎo)等特性，從而改變流場特性。主要有：DBD（介質(zhì)阻攔放電）等離子體，含正弦波、納秒脈沖、射頻放電；電弧放電介等離子體；激光等離子體。等離子體氣動激勵改善氣動特性研究包括：抑制翼型與機(jī)翼流動分離（見圖10-11）、抑制鈍體與錐形體流動分離，可減小阻力、增加升力、提高臨界失速迎角并降低噪聲；控制附面層，主要促進(jìn)層流-湍流轉(zhuǎn)捩；控制激波與激波/附面層干擾，減弱激波強(qiáng)度、調(diào)控激波系、抑制激波/附面層干擾；控制壓氣機(jī)與渦輪內(nèi)部流動；控制管道流動，管道出口流動控制，促進(jìn)摻混、抑制噪聲，內(nèi)部流動控制抑制分離、減少損失；飛行控制，通過流動控制技術(shù)實現(xiàn)飛行控制，美國空軍實驗室研究表明：沒有機(jī)械運(yùn)動部件，效應(yīng)快、工作可靠，有望取代傳統(tǒng)的襟翼、副翼等機(jī)械操縱面，作為未來高超聲速飛行器飛行控制的重要手段。激光等離子體技術(shù)的主要應(yīng)用方面包括：（1）減小氣動阻力，激光擊穿空氣產(chǎn)生等離子體，等離子體膨脹產(chǎn)生的激波與高超聲速飛行器前方的正激波作用，演變成阻力較小的斜激波，從而減小飛行器的氣動阻力；（2）減小熱效應(yīng)，高超聲速飛行器頭部前緣是氣動熱最為嚴(yán)重的地方之一，應(yīng)用激光等離子體技術(shù)可有效地降低頭部前緣的熱應(yīng)力；（3）減小音爆，利用產(chǎn)生的激波在相位上的差異，誘使它們互相抵消，使傳遞到地面的N形波強(qiáng)度減小，以減小音爆的影響；（4）產(chǎn)生升力，當(dāng)激光點(diǎn)火位置位于對稱軸上方時，將減小上表面的壓力，而下表面卻沒有相應(yīng)的壓力與之平衡，故飛行器會獲得一個很強(qiáng)的激波升力，同時阻力也隨之減小，這樣便大大提高了高超聲速飛行器的升阻比，降低了燃料消耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益；（5）產(chǎn)生磁流體，激光電離空氣時產(chǎn)生等離子體，電離的空氣會產(chǎn)生電流，該電流通過磁場產(chǎn)生對飛行器產(chǎn)生推力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用DBD等離子體激勵器（見圖12）控制機(jī)翼失速流場（見圖13），發(fā)現(xiàn)兩種流動控制機(jī)制：利用大尺度漩渦和促進(jìn)湍流轉(zhuǎn)捩。在較大攻角下，利用大尺度漩渦結(jié)構(gòu)能更好的控制分離；而在失速角附近，促進(jìn)湍流轉(zhuǎn)捩能提供更好的分離控制。西安工業(yè)大學(xué)研究采用對稱和非對稱的等離子體激勵器控制機(jī)翼流動分離（見圖14）。非對稱激勵器產(chǎn)生單向氣流，而對稱激勵器產(chǎn)生雙向射流；兩者均安裝于機(jī)翼前緣、沿展向方向，在流向產(chǎn)生力；在速度達(dá)100m/s時，對稱激勵器可以有效延遲氣流分離，與不對稱激勵器相比，具有更好的流動控制性能（見圖15）。圖10等離子體激勵器及在機(jī)翼上的安裝位置圖11有無等離子體流動控制對比圖12DBD等離子體激勵器圖13DBD等離子體激勵器控制對比圖14有無控制的機(jī)翼速度分布對比圖15不同速度下有無控制的升力系數(shù)隨攻角的變化1.7.4等離子體隱身技術(shù)中國航天空氣動力技術(shù)研究院等單位利用在裝備表面形成的等離子云來實現(xiàn)規(guī)避電磁波探測，其基本原理：在一定條件下，等離子體能反射電磁波；在另一種條件下，又能吸收電磁波。當(dāng)存在磁場時，在等離子體中沿磁場方向傳播的電磁波極化方向會產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)，從而使雷達(dá)接收的回波的極化方向與反射時不一致，造成極化失真。1.8主動熱防護(hù)技術(shù)主動熱防護(hù)技術(shù)是運(yùn)載火箭未來熱防護(hù)設(shè)計的重要研究方向，運(yùn)載火箭以高超聲速在大氣層中飛行時會出現(xiàn)強(qiáng)烈的氣動加熱現(xiàn)象，通過采用主動熱防護(hù)技術(shù)可以避免傳統(tǒng)被動熱防護(hù)系統(tǒng)研制過程中所具有的維護(hù)成本高、防熱結(jié)構(gòu)脆性大、防熱裝置可靠性低等問題，可以突破運(yùn)載火箭實際面臨的防隔熱瓶頸。1.8.1對流冷卻技術(shù)北京航空航天大學(xué)提出采用對流冷卻的發(fā)動機(jī)推力室做成內(nèi)外兩層壁，冷卻劑在夾層中流動，帶走燃?xì)鈧鹘o推力室內(nèi)壁的熱量，自身溫度升高。冷卻劑通常選用冷卻性能較好的一種推進(jìn)劑組元，如果冷卻工質(zhì)工作后通過噴注器進(jìn)入燃燒室利用，內(nèi)部傳出的熱量得以在燃燒室“再生”，這種對流冷卻方式即被稱為再生冷卻：如果冷卻劑吸熱后不再進(jìn)入燃燒室參與燃燒，而是直接排出，則被稱為排放冷卻。1.8.2發(fā)汗冷卻技術(shù)發(fā)汗冷卻技術(shù)是主動熱防護(hù)技術(shù)中效果最好的一種方式。北京航空航天大學(xué)開展了發(fā)汗冷卻內(nèi)壁為壓制成的多孔層板以及用金屬粉末燒結(jié)稱的多孔介質(zhì)的多孔材料構(gòu)成的發(fā)汗冷卻系統(tǒng)，大大提高了燃燒室壓力和溫度。1.8.3氣膜冷卻技術(shù)國防科技大學(xué)提出了一種外部氣膜冷卻技術(shù)，在光學(xué)窗口前方開一條縫隙，布置一排小型噴管，由噴管噴出低溫冷卻液，冷卻液在附面層中形成液膜，液膜蒸發(fā)后形成一層與光學(xué)窗口表面平行的薄超聲速氣膜，薄超聲速氣膜可以把外部高溫氣流與光學(xué)窗口隔離開來，起到對光學(xué)窗口的冷卻作用。2科研試驗基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施2.1電弧風(fēng)洞中國空氣動力研究與發(fā)展中心建設(shè)了2座50MW量級的電弧風(fēng)洞，該風(fēng)洞最大功率超過了50MW，運(yùn)行時間可長達(dá)幾千秒，產(chǎn)生的高溫氣體溫度最高超過6000K，具備開展高超聲速飛行器熱結(jié)構(gòu)在高溫、高速氣動加熱條件下的可靠性考核能力，綜合性能指標(biāo)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。2.2高頻感應(yīng)風(fēng)洞中國空氣動力研究與發(fā)展中心建設(shè)了2座1MW量級的高頻感應(yīng)風(fēng)洞，該風(fēng)洞利用高頻電源產(chǎn)生交變電磁場生成焦耳熱，使得空氣電離并達(dá)到極高的溫度，且高溫流場純凈無污染，可以開展高溫氣動加熱條件下真實氣體效應(yīng)，熱防護(hù)材料催化效應(yīng)等高溫氣體動力學(xué)研究工作，綜合性能指標(biāo)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。2.3爆轟激波風(fēng)洞中科院力學(xué)所建設(shè)了1座世界先進(jìn)水平的爆轟激波風(fēng)洞，風(fēng)洞最高溫度可達(dá)3000K，運(yùn)行時間達(dá)到百毫秒量級，流場尺度達(dá)到了2米量級，具備模擬飛行高度24-40公里、馬赫數(shù)為5-9的氣動環(huán)境。2.4自由飛彈道靶中國空氣動力研究與發(fā)展中心建設(shè)了1座發(fā)射器口徑為203mm、試驗段直徑3m、長度為200m自由飛彈道靶，該道靶能夠模擬飛行器在氣體環(huán)境中的自由飛行條件與狀態(tài)，可以開展真實氣體效應(yīng)下的氣動力學(xué)、氣動熱學(xué)、氣動聲學(xué)、氣動物理等多方面研究，綜合性能指標(biāo)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。3試驗測試技術(shù)3.1高溫氣體研究試驗方法中國空氣動力研究與發(fā)展中心建立了以高溫空氣為工作介質(zhì)的高溫氣體研究試驗方法，具備了對飛行器前緣、機(jī)身大面積等部位熱防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)的篩選、驗證、考核能力。飛行器氣動熱環(huán)境復(fù)現(xiàn)能力覆蓋了0-100km高度及飛行馬赫數(shù)5-25的大空域、大速域范圍。3.2非接觸高溫氣體光譜測試手段中國空氣動力研究與發(fā)展中心建立了發(fā)射光譜、激光吸收光譜TDLAS等非接觸高溫氣體光譜測試手段，初步具備了高溫氣體組分的定性、定量測試能力。3.3非接觸溫度測試手段中國空氣動力研究與發(fā)展中心建立了紅外熱像、高溫比色等非接觸溫度測試手段，非接觸測溫方法趨于成熟。3.4火箭彈飛行試驗技術(shù)中國工程物理研究院開展了火箭彈飛行試驗技術(shù)專項研究，旨在通過火箭彈飛行試驗測試飛行器再入大氣層內(nèi)的氣動力、氣動熱載荷等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。3.5等離子體電子密度、電子溫度靜電探針測量技術(shù)中國工程物理研究院發(fā)展了分辨率優(yōu)于8mm、三角波掃描速度高達(dá)200kHz、響應(yīng)時間優(yōu)于2.5s的高超聲速等離子體電子密度、電子溫度靜電探針測量技術(shù)（見圖16-17）。3.6氣動物理效應(yīng)測試技術(shù)中國空氣動力研究與發(fā)展中心發(fā)展了飛行器氣動物理效應(yīng)測試技術(shù)，重點(diǎn)是關(guān)于等離子體鞘套激光、電磁透波效應(yīng)、磁場波透波效應(yīng)的試驗與測試技術(shù)，形成了等離子體對激光、電磁波傳輸與通信影響試驗研究能力（見圖18-19）。3.7激波或加速度加載氣體界面不穩(wěn)定性實驗方法中國工程物理研究院發(fā)展了激波或加速度加載氣體界面不穩(wěn)定性實驗方法，已經(jīng)獲得了大量高時空分辨率的實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了不穩(wěn)定性及混合問題的高精度建模與修正。圖16三角波掃描靜電探針測量系統(tǒng)圖17典型激波管試驗狀態(tài)下氣體電子溫度圖18S波段調(diào)制信號在等離子體中傳輸后的星座圖圖19磁場波與毫米波在高密度等離子體中傳輸特性測量結(jié)果4在國防與經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的應(yīng)用4.1中國空氣動力研究與發(fā)展中心自主研發(fā)了高超聲速飛行器氣動物理計算軟件系統(tǒng)AEROPH，其中包括氣動物理流場數(shù)值模擬軟件AEROPH_Flow、氣動物理輻射計算軟件AEROPH_Radiation、氣動物理電磁計算軟件AEROPH_EM、氣動光學(xué)效應(yīng)計算軟件AEROPH_OP等，取得多項國家計算機(jī)軟件著作權(quán)，該軟件在國家“910”工程、“921”工程、973項目、重大科技項目、氣動預(yù)研全國聯(lián)合攻關(guān)項目中得到應(yīng)用。4.2北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所發(fā)展了大型流體計算軟件SA