壁面催化条件对热环境预测的影响

基于高超声速飞行器热流精确预测的需要,文章采用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中壁面催化条件对热环境的影响.针对ram-cⅡ气动外形,使用ausm+up格式耦合lu-sgs方法求解带化学反应源项的多组分ns方程.得到如下结论:有限催化壁结果介于完全催化壁以及非催化壁之间:壁面催化特性的差异主要体现在热流的组分扩散项部分,因此可以通过评估完全催化壁时组分扩散项所占比率大小来预测壁面热流准确值.     

传感器催化特性差异对气动热影响的计算分析

针对高温气体效应及壁面催化效应对气动热环境影响,考虑高温空气各种化学反应、分子振动激发、流动中的非平衡效应以及壁面催化复合反应,通过数值求解热化学非平衡N-S方程和壁面能量、质量平衡方程,完善了有限催化条件下高温热化学非平衡流场气动热环境数值模拟方法和程序。在此基础上,针对廉金属热电偶传感器热流测量问题,开展了不同条件下高超声速热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析了催化特性差异对局部气动热环境(传感器表面热流)的影响规律,为试验数据的误差带分析、修正处理和使用提供参考。研究表明:1)催化特性差异会给局部区域带来很强质量扩散热流,使总热流发生跳变,给传感器热流测量带来不可忽视的误差;2)材料催化特性差异越大,热流跳变量越大,某些条件下时,局部热流值将远远高于全表面FCW模拟的结果,其影响量可达100%以上;3)本文计算条件下,飞行马赫数越大、飞行高度越低,催化特性差异的影响越大;4)催化特性差异带来的影响还与飞行攻角、飞行器表面温度等因素存在一定关联,在催化复合系数相同情况下,表面温度越高,影响量越大。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题，建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型，并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法，对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟，获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据，分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大，催化反应进程主要受O原子浓度限制；有限催化热流随催化效率增大而增大，完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%；表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度，为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

固体火箭发动机喷管传热与壁面烧蚀的耦合计算分析

为研究某型固体发动机在地面工作过程中喷管的受热与烧蚀,对其工作后140 s内复合喷管壁面受到管内高温喷流辐射与对流加热,以及发动机外部环境辐射与对流冷却条件下的壁面受热与材料热解烧蚀建立一维非稳态热分析模型进行计算分析。其中,喷管材料采用金属基体内衬高硅氧-酚醛复合隔热材料构成,高温喷流对喷管的辐射加热采用非灰参与性介质的封闭腔辐射换热模型计算,对喷管的对流加热采用巴兹公式计算,复合喷管壁面材料升温后的热解分为基体材料升温-基体材料热解-热解层炭化-Si O2熔融-炭化层脱落五个阶段进行分析。研究发现,喷管收敛段和喉部主要受到高温喷流的辐射加热,内壁辐射热流约为对流热流的2.5倍,喉部下游因喷流温度下降,速度激增,内壁对流热流超过辐射热流,在扩张段尾部,内壁的辐射热流再次超过对流热流;发动机工作过程中,喷管收敛段和喉部壁面的高硅氧-酚醛复合隔热材料随时间逐渐被烧蚀,烧蚀厚度随时间上升,喉部烧蚀厚度最大,140 s时烧蚀厚度达到8 mm,平均烧蚀速率为0.057 mm/s;喷管扩张段中后段喷流温度大幅下降,壁面内高硅氧-酚醛复合隔热材料未烧蚀;沿喷管壁面厚度自内向外,壁面温度急剧下降,发动机工作后16 s时,喉部截面处内壁温度达到2700 K,而外壁温度仅为340 K。     

火星环境高超声速催化加热特性

针对火星进入器的复杂催化加热作用,基于自研CFD平台,以进入器70°球锥防热大底为研究对象,求解三维可压缩Navier-Stokes方程,获得基于火星大气的考虑多种催化作用的高超声速非平衡气动加热数值模拟结果。结果表明,气体通过激波后发生大规模离解,激波层内尤其驻点区域呈现化学非平衡状态,高温真实气体效应显著,壁面催化效应对化学非平衡气动加热影响显著,完全催化壁预测值最为保守,而完全非催化壁结果最低,不同模型差别高达数倍。分析认为,CO_2和O_2复合作用是火星进入器壁面催化加热主要作用因素,需要根据热防护材料对壁面催化机理作有效表征,进而实现气动加热的精细化预测。     

壁面温度对高超声速进气道不起动/再起动特性的影响

分析了高超声速进气道不起动/再起动特性,并对不同壁温下的高超声速二元进气道内流场进行了数值模拟,给出了不同壁温下的进气道不起动/再起动特性,以及进气道不起动马赫教和再起动马赫数随壁面温度的变化规律,最后对壁面冷却改善进气道不起动/再起动特性的内在物理机制进行了讨论.结果表明,采用壁面冷却能提高进气道的流量系数和总压恢复系数,有效改善进气道不起动/再起动特性,拓宽进气道的工作范围.     

二级火箭喷流对底部热环境影响的数值模拟

为研究二级火箭工作时对底部热环境的影响,在不同喷管固壁热辐射和飞行高度条件下,用Fluent软件自发动机喷管喉部处计算喷流流场和底部区域内给定平面的对流热流密度,并建立了三维反向蒙特卡罗（RMC）法模型,同时根据HITRAN数据库计算气体红外辐射特性,获得喷流对给定平面的辐射热流密度,两者相加即为喷流到达研究平面的总热流密度。结果表明：热辐射和热对流在底部产生的热效应趋势不同。     

超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟

为了考察对流和辐射传热对燃烧和流场以及壁面热流密度的影响,基于OpenFOAM平台,采用基于k-ω湍流模型的剪切应力输运(SST)模型,结合二维P1模型、随机欧拉解(SEF)法及k-distribution谱带模型计算燃烧室内燃烧、流动、燃气辐射和壁面对流及辐射热流密度。计算分为燃烧/流动与辐射解耦和耦合两种情况,前者的壁面辐射热流与文献解耦计算结果吻合较好,在此基础上考察耦合时热辐射对燃烧和流场参数及壁面热流的影响。结果表明:解耦条件下壁面最大辐射热流密度达55 W/cm~2,辐射与对流热流密度之比达40%以上,但位置与最大辐射热流位置不一定相同,燃气最高温度与不考虑辐射时相比降低120K左右;在耦合计算中,燃气最高温降低近200K,燃气高温区面积增大而平均温度降幅较小。     

一氧化二氮无毒推进剂催化分解研究

为研究一氧化二氮（N2O）推进剂,建立了N2O催化分解装置,对N2O催化分解条件进行了研究,使用电阻丝外加热方式,将催化床外壁加热到400℃后切断电源,贮箱压力维持在0.4MPa的条件下,纯N2O流经催化剂发生分解,并能维持反应持续进行,最终催化床外壁温度可达到500℃～760℃。选择性能优良的催化剂C-2和添加剂T-B,可使N2O催化床外壁的催化分解温度达到980℃,具备了与燃料着火的条件。     

气体辐射与流场耦合对火星进入热环境影响

采用火星大气物理化学模型,求解带辐射源项的三维热化学非平衡N S方程,对探路者号火星探测器进入过程中的高温流场和热环境进行了数值模拟,分析了气体辐射与非平衡流场耦合效应对流场和热流的影响。结果表明：1)探路者号火星探测器流场热化学非平衡效应显著,CO 2 气体发生大规模离解,高度低至 28.5 km 仍存在热力学非平衡效应;2)热力学与化学非平衡效应的影响均与表面催化特性相关,完全催化热流要高于完全非催化热流50%以上;3)高温流场中的CO组分会产生较强的气体辐射加热,辐射热流与对流热流的比值为15%～45%,靠近肩部区域比值最大;4)气体辐射对非平衡流场的冷却效应使激波脱体距离减小;与非耦合方法相比,采用耦合方法得到的辐射热流降低约12%～25%。     

高超飞行器表面热效应地面模拟实验研究

文章深入分析高超飞行器与临近空间大气相互作用的基本物理过程,激波加热及粒子碰撞产生等离子体的物理机制,并利用磁热屏蔽效应在高超飞行器模拟器与高速定向流间建立磁化等离子体鞘层,大幅降低中性激波气体向飞行器的能流传递,从而为高超飞行器提供有效的热防护作用。通过两次比对实验验证了磁热屏蔽效应的有效性及工程实施的可行性,为今后研制高韧性、超轻质、可重复使用热防护复合材料提供了实验数据,奠定了技术基础。实验中利用层流等离子体源作为高能流密度热源是热防护实验装备上的创新,层流等离子体源能流截面大、能流密度高,可以针对高超飞行器表面热效应进行全尺寸的模拟实验。     

载人飞船密封舱漏热问题研究

密封舱漏热是载人飞船热控系统设计中必须考虑的一个关键因素,是影响飞船热平衡和舱内温度的一项重要参数。建立了求解密封舱漏热的热物理模型,分析了各种参数对密封舱漏热的影响。结果表明：（1） 在一定温度范围内,密封舱漏热与舱内空气温度近似呈线性关系;（2） 返回舱漏热高于轨道舱,主要原因是导热热阻的基数偏小;（3） 漏热随外热流增大而减小,返回舱漏热波动较大,调节其热控涂层的α_S和ε_h值将导致返回舱漏热和漏热波动出现相反变化,为同时减小漏热和漏热波动,推荐采用较低α_S和ε_h 值的热控涂层;（4） 返回舱漏热受舱内壁对流换热系数影响较大,特别在2W/(m^2·K)附近。
     

喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律，针对某特定模拟参数试验状态，采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现，在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下，采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低，同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下，试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近，但相较飞行状态存在明显差异；不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显，喷管出口尺寸越大，其与飞行状态越接近。     

人工粗糙度对矩形弯曲管道流动与传热数值模拟

人工粗糙度作为一种局部强化换热技术,对提高再生冷却效率有重要意义。为了研究人工粗糙度对矩形冷却通道三维流动与传热特性的影响,以及在弯曲段与二次流的耦合作用,对有人工粗糙度的三维弯曲矩形通道进行了建模,并应用Fluent软件进行了数值仿真计算,采用了能够有效准确地求解受强曲率影响的管道内及近壁区域湍流流动的RNG k-ε湍流模型。结果表明:在冷却通道底面添加人工粗糙度会使底部流动受到干扰进而导致流速中心上移,因此在弯曲段,有人工粗糙度的冷却通道中所产生迪恩涡的范围相对较小且距离底面较远,而随着二次流的产生,流速中心会向底部移动,使得该处的换热得到改善,整体对流传热系数上升;当入口质量流量分别为0.1 kg/s,0.2 kg/s,0.3 kg/s时,有人工粗糙度工况下弯曲段加热面平均对流传热系数分别增加了11.86%,13.11%,16.14%,表明添加人工粗糙度可以显著提高换热,且随着入口质量流量的增加其对换热的提高作用也变得越来越明显。     

Analysis of heterogeneous recombination of oxygen atoms on aluminum oxide by methods of quantum mechanics and classical dynamics

To analyze the catalytic properties of heat shield materials of space vehicles, the cluster models of the adsorption of oxygen atoms on aluminum oxide are constructed and the corresponding potential energy surface is calculated on the basis of the density functional theory. Quantum-mechanical calculations showed that it is necessary to take into account the relaxation of the surface monolayers. Using this surface in molecular dynamics, calculations made it possible to obtain the probabilities of the heterogeneous recombination of oxygen atoms on the α-Al₂O₃ surface, which are in good agreement with experimental data. The calculations performed substantially decrease the amount of experimental investigations necessary reliably to describe the heterogeneous catalysis on promising reusable heat shield coatings for analyzing heat transfer during spacecraft entry into the atmosphere.     

某缩尺推力室燃烧和传热特性研究

为了研究冷却剂的流动方向和推进剂的质量流量对推力室燃烧和传热过程带来的影响,以某型氢氧火箭发动机的推力室缩比试验件为研究对象,对推力室的燃烧和传热过程进行了数值仿真。改变冷却剂的流动方向,最高壁面温度相差1.04%,最高壁面热流密度相差0.544%,冷却剂温升相差0.233%,出口压力相差3.803%,分析发现,改变冷却剂的流动方向,对推力室内部的燃烧过程和壁面传热效率影响很小,冷却剂的流动方向会影响壁面温度分布。推进剂质量流量提升22.29%,室压提升22.17%,燃烧效率降低0.55%,最高壁温提升9.16%,最高热流密度提升17.48%,冷却剂温升提高13.05%,分析发现,提升推进剂质量流量会导致推力室壁面温度和冷却剂温升的提高,由于缩比发动机反应空间小燃烧不够充分,提升推进剂质量流量会使燃烧效率有所下降。     

红外加热笼覆盖系数对热流均匀性的影响研究

通过设定红外加热笼与卫星表面之间不同距离,改变加热笼的覆盖系数,仿真模拟了卫星表面到达热流的分布,研究了加热笼的覆盖系数对卫星表面到达热流密度均匀性的影响,分析结果表明：当加热笼距离卫星表面100mm以上,选取覆盖系数大于0．06的加热笼,即可满足到达卫星表面热流的均匀性要求。     

Evaporation and ignition of droplets in combustion chambers modeling and simulation

Computer simulation of liquid fuel jet injection into heated atmosphere of combustion chamber, mixture formation, ignition and combustion need adequate modeling of evaporation, which is extremely important for the curved surfaces in the presence of strong heat and mass diffusion fluxes. Combustion of most widely spread hydrocarbon fuels takes place in a gas-phase regime. Thus, evaporation of fuel from the surface of droplets turns to be one of the limiting factors of the process as well. The problems of fuel droplets atomization, evaporation being the key factors for heterogeneous reacting mixtures, the non-equilibrium effects in droplets atomization and phase transitions will be taken into account in describing thermal and mechanical interaction of droplets with streaming flows. In the present paper processes of non-equilibrium evaporation of small droplets will be discussed. As it was shown before, accounting for non-equilibrium effects in evaporation for many types of widely used liquids is crucial for droplet diameters less than 100 μm, while the surface tension effects essentially manifest only for droplets below 0.1 μm. Investigating the behavior of individual droplets in a heated air flow allowed to distinguish two scenarios for droplet heating and evaporation. Small droplets undergo successively heating, then cooling due to heat losses for evaporation, and then rapid heating till the end of their lifetime. Larger droplets could directly be heated up to a critical temperature and then evaporate rapidly. Droplet atomization interferes the heating, evaporation and combustion scenario. The scenario of fuel spray injection and self-ignition in a heated air inside combustion chamber has three characteristic stages. At first stage of jet injection droplets evaporate very rapidly thus cooling the gas at injection point, the liquid jet is very short and changes for a vapor jet. At second stage liquid jet is becoming longer, because evaporation rate decreases due to decrease of temperature. But combustion of fuel vapor begins which brings to increase of heat flux to droplets and accelerates evaporation. The length of the liquid jet decreases again and remains constant slightly oscillating.     

一种紧凑式喷雾冷却系统的传热特性仿真分析

喷雾冷却被认为是一种潜在的航天器热排散技术。文章提出了一种紧凑式喷雾冷却系统,并分别对该喷雾冷却系统中的发热壁面、蒸汽冷凝器及液体冷却器三个主要部件建立传热模型,编制喷雾冷却系统传热特性仿真程序。利用该仿真软件,研究了壁面加热升温过程的系统运行特性及蒸汽冷凝器冷凝水流量对喷雾冷却系统运行特性的影响。该工作对理解喷雾冷却的系统运行特性及下一步的工程应用奠定了一定的理论基础。