基于流固热耦合低温风洞扩散段热力学特性分析

低温风洞降温过程中，温度变化范围大，容易在结构内部引发较大热应力，影响设备运行安全。以中国空气动力研究与发展中心0.3m跨声速低温风洞扩散段为研究对象，基于流固热耦合方法，采用多物理场数据交换接口MpCCI，联合结构有限元软件Abaqus和计算流体动力学软件Fluent，建立扩散段的流固热耦合仿真模型，分析低温内流场的换热特性，计算低温风洞结构的温度及应力分布。通过低温风洞试验发现，流固热耦合仿真结果接近于实际的测量结果，能够准确反映低温风洞结构的热力学特性，可为低温风洞的结构安全性能优化提供可靠的仿真分析方法。     

飞行器气动热与结构传热双向耦合研究

高超声速飞行器热防护结构的设计优化取决于对于飞行器气动热环境与结构内部温度场的准确预示,两者之间的耦合作用对此有着显著的影响。本文针对典型圆管绕流问题开展高超声速非定常流动与热防护结构传热耦合的数值计算。流场部分求解基于量热完全气体的三维粘性可压缩流动Navier-Stokes方程,固体部分求解瞬态热传导及结构响应方程获得结构温度场、热应力及应变。耦合计算采用分区迭代方法,在流-固交界面上进行壁面热流与温度的数据传递,实现了流体与结构的耦合计算。以典型圆管前缘风洞数据对上述多场耦合分析方法进行了验证,结果表明激波位置与壁面热流的计算结果与风洞试验结果一致。基于该方法对典型翼面结构在不同来流马赫数条件下的结构力热响应的模态特征。该方法能够对高超声速飞行器的气动力热载荷与结构传热的规律进行预示,从而为飞行器热防护结构的设计优化提供设计依据。     

钛合金蜂窝壁板隔热性能试验研究

针对钛合金蜂窝夹层结构的隔热性能进行试验研究。试验中研究了在300 ℃稳态条件下，蜂窝芯格尺寸、芯格高度和芯格壁厚等参数对隔热性能的影响规律；分析了各几何参数对隔热性能的敏感度；测试了不同温度条件下钛合金蜂窝夹层结构壁板的等效导热系数。试验结果表明：增大蜂窝芯格尺寸和芯格高度，减少芯格壁厚均有利于提高蜂窝壁板的隔热效果；不同几何参量对钛合金蜂窝夹层结构隔热效果的影响敏感程度从大到小依次为：芯体高度、芯格尺寸和芯体壁厚；钛合金蜂窝壁板的等效导热系数随温度的升高而增大，相同温度下钛合金蜂窝壁板的等效导热系数约为钛合金材料的3%~5%。     

单板式相变换热器内冰在热空气中融化过程的数值模拟

为了提高相变换热器的换热性能,探索相变材料相变过程对换热性能的影响,对二维单板式相变换热器的传热过程进行了数值模拟.采用温度为315 K的热空气作为换热流体,265 K的冰作为相变材料,研究了不同时刻冰的熔化特点.通过改变单板式相变换热器的入口温度和入口流速,研究在不同入口边界条件下换热器模型中换热流体和相变材料之间的...     

槽道湍流相干结构的研究

采用高阶差分方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程，进行槽道流相干结构的数值研究，与常用的谱方法相比，不需限制边界条件，可用于更一般的粘性流体的流动问题，文中所用时间分裂法和三维耦合高阶差分格式适用于包括邻近边界点在内的整个计算区域，克服了三维各自用高阶中心差分格式不适用邻近边界点的困难。通过算例模拟了槽道流动中单个相干结构的演化发展规律，结果与实验一致。     

不同机翼优化构型的轻质F4模型气动特性实验研究

采用光固化快速成型技术(SL)加工基于气动/结构耦合分析的六套不同机翼优化构型的轻质F4模型,在0.6m跨超声速风洞完成了马赫数0.6~0.85范围内的气动力测量试验.试验结果表明,采用气动/结构耦合优化设计的代号为6#的轻质F4模型升力特性与国外结果较接近,与机翼三维变形的事实吻合,验证了采用的气动/结构耦合优化设计方法基本可行,为探索模型静气动弹性风洞试验数据修正方法提供了参考.     

陶瓷基复合材料旋转爆震燃烧室壁面冷却研究

为了降低旋转爆震发动机燃烧室壁面温度，设计了陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构。对燃烧室主动冷却结构的传热特性进行数值模拟，获得主动冷却燃烧室壁面温度响应和温度分布规律。对燃烧室主动冷却结构进行了模型简化，将模拟旋转爆震波获得的不同壁面温度下的热流密度参数加载在冷却模型上，提高了壁面温度模拟的计算效率。结果表明：燃烧室内壁面热流密度随着壁面温度的升高而降低，扩散区的平均热流密度最大；陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构可以有效降低燃烧室壁面温度，在相同冷却流量下，矩形冷却截面的冷却效果优于圆形冷却截面，可以将燃烧室壁面的温度降到1 200 K以下；燃烧室壁面最高温度在燃烧室中段区域。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷，在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中，建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中，通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系，对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性，结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应，耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果，而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上，通过耦合传热分析，揭示了催化反应与壁面传热的内在关系，证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

再生冷却结构非定常换热计算研究

给出了一种再生冷却结构非定常换热计算模型,能够支撑超燃冲压发动机再生冷却结构设计和试验研究。对发动机达到热平衡时间和非正规阶段温升时间的计算和测量结果进行了对比分析,计算比较了发动机初始壁面温度分别为300和800 K时达到热平衡的时间。研究表明,建立的再生冷却结构非定常换热计算模型具有一定的适用性,能够用于超燃冲压发动机的传热特性分析。     

温度载荷对壁板动力学特性的影响

提出了一种新的结构热应力、热模态求解方法。采用多变量有限元方法进行几何非线性单元列式,将温度的影响转化成热载荷进行静力学非线性有限元分析得到结构内部热应力,然后计算受热应力影响的结构非线性热刚度矩阵。由热刚度矩阵和质量矩阵进行广义特征值分析得到结构的热模态及其模态频率。最后,给出了热屈曲的计算方法。针对典型壁板结构计算了热应力和热模态,计算结果与Nastran相差在10%以内,分析了热应力对壁板结构动力学特性的影响。     

新型涡轮叶片冷却技术换热特性实验研究

通过实验研究了一种新型涡轮叶片冷却技术（Thermal driving in high centrifugal field，TDHCF）的换热特性。该技术主要利用高彻体力场下微小封闭循环通道内流体的热驱动运动来达到高效换热的目的。实验中分别采用了液态H2O和氟利昂R12为热驱动介质，分析了离心力场下热驱动运动的流动规律和换热特性，讨论了TDHCF技术的总平均换热效果KH随旋转速度和热流密度的变化规律。研究发现：离心力场下，采用不同的流体作为热驱动介质所形成的热驱动运动规律相同，温度分布也基本类似，均是随着转速和热流密度的增加，热驱动运动强度提高，平均换热系数随之变大。研究结果表明：旋转速度、热流密度以及热驱动介质的热物性均影响了TDHCF所最终能达到的换热效果，其中旋转速度的影响尤为显著；在热流密度或转速不变的情况下，以液态氟利昂R12为热驱动介质，TDHCF可以达到更高的强化换热效果。与常规的气冷技术相比，采用TDHCF可以有效地提高换热效果。     

利用三角形突片改善冲击换热特性的计算与实验

运用数值计算方法对射流孔上加三角形突片和不加突片的射流冲击冷却在不同的冲击间距、不同的射流雷诺数下的流动和传热过程进行了三维数值模拟,并采用红外热像仪测试技术对加装突片后的射流冲击冷却进行了热像显示试验,揭示了突片对改善冲击换热特性的影响.研究结果表明,本文的计算结果与实验特征是基本吻合的.     

复合相变蓄热材料传热特性计算与实验研究

复合相变材料（PCM）作为一种固/液相变材料与多孔高导热泡沫等材料复合而成的新型材料体系，具有潜热大和热导率高等优异性能。因此，基于复合相变材料的蓄热装置成为新一代飞行器热管理技术的研究热点。以碳化硅（SiC）泡沫填充石蜡类相变材料为研究对象，采用有限容积法与等效热容法相结合的方法，建立了考虑材料细观与宏观传热特性的复合相变材料传热特性数值预测方法，搭建了实验平台并开展了材料传热特性的实验研究，验证了计算模型与方法的有效性。相关方法可为材料孔隙率、微结构等特征对复合相变材料传热特性的影响规律研究以及材料蓄热性能的优化提供参考。     

双层涡轮叶片异形冷却单元内换热特性实验研究

基于实际加工成型的双层涡轮导向器叶片内部特征，模化出操场形和椭圆形截面冷却结构。针对其内部应用的冲击/气膜复合冷却形式，实验研究了冲击靶面的换热特性，重点分析了通道截面形状不同时，进口Re数、气膜出流以及冲击孔和气膜孔的相对位置对冲击靶面换热特性的影响。研究中发现通道内部局部Nu数呈中心对称的波浪形分布，并且气膜孔壁面上游的换热效果整体低于下游，只有在靠近气膜孔中心局部区域的换热系数较高。随着进气Re数增加，换热效果逐步增强 。实验数据表明，截面形状不同的冷却通道的换热特性规律不同。对于操场跑道形冷却通道，冲击孔和气膜孔顺排时冷却效果较好；而椭圆形冷却通道中，冲击孔和气膜孔错排时冷却效果较好。     

0.3 m低温连续式跨声速风洞结构设计

低温风洞运行过程中，洞体回路承受的温度低且温度变化范围大，使结构产生较大的热变形和热应力，将影响风洞的气动性能和安全性。在进行0.3 m低温风洞结构设计时，通过合理选取风洞结构材料、采取驻室夹层内腔的气流换热和结构热变形释放等措施对结构热变形进行有效控制，并针对洞体回路的热变形和热应力计算等内容开展了仿真研究。计算结果表明，降温7200 s后，拐角导流片的温度降至约110 K，稳定段的法兰温度约为250 K，洞体回路的最大热应力出现在换热器驻室壳体上，约为110 MPa，安全系数大于1.8；洞体回路温度降至90 K时，长轴方向收缩约为29 mm，短轴方向收缩约为12 mm。通过低温风洞试验发现，仿真计算结果接近于实际的测量结果，调试试验结果验证了该风洞结构设计的可靠性。     

一种新型冷却循环通道内水的热驱动数值分析

以数值模拟的方法研究了一种可以运用于电子器件冷却的新型冷却结构和理论，即利用彻体力场下封闭循环通道内流体的热驱动来强化换热，在需要冷却的地方，构造一个循环封闭通道，一端加热，一端冷却，通过封闭通道内流体的热驱动实现循环换热。主要研究了在定热流加条件下，改变通道的宽度对流体的流动和换热的影响，重点分析了流体在循环通道仙的热驱动流动和换热特性，研究结果表明，几何尺寸对流体的热驱动流动和换热影响很大，在通道高度一定的条件下，存在着最佳管径，时流体的换热效果最好，本文的研究内容对于高密度封 设计有着较好的参考价值。     

流体物性对离心力场热驱动影响的数值研究

本文利用数值模拟,通过改变流体的密度、黏性系数以及导热系数等热物性参数随温度的变化规律,讨论了不同物性参数对循环小通道内热驱动运动及其换热效果的影响。研究结果表明:为了达到最佳的换热效果,循环小通道内流体应具有高体积膨胀系数、高密度、高定压比热、高导热系数、低动力粘度等特点。当封闭小通道内流体为液态工质时,密度对换热效果的影响最大,导热系数、定压比热和黏性系数的影响依次降低。当封闭小通道内流体为液态金属时,导热系数对换热效果的影响最大,密度、定压比热和黏性系数的影响依次降低。     

空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析

可重复使用的空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析可为结构设计、选材等提供参考依据。本文针对全C/SiC复合材料襟翼结构,考虑传导与辐射耦合换热,建立了其再入过程热分析的有限元模型。由有限元计算结果的分析发现:辐射换热在整个温度场中起主导作用,并且对于采用防热-结构一体化设计的可重复使用的空天飞行器,C/SiC是比较理想的结构材料。     

基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。