高速飞行器翼舵缝隙激波风洞精细测热试验研究

高速飞行器的气动控制翼舵面,为了转动灵活,在弹体和翼舵面之间存在缝隙。缝隙的存在会导致高速热气流进入,在舵轴根部产生强分离再附区域,形成高热、高压、高剪切严酷热环境,对飞行器的热防护提出了很高要求。由于影响翼舵缝隙流动的因素十分复杂,缝隙内热环境的准确预测非常困难。目前传统的激波风洞缝隙测热试验受限于薄膜热流传感器2mm直径,只能在分离再附区布置有限测点,无法捕捉到热流峰值,导致计算与试验存在较大偏差。本文根据缝隙分离再附区热环境特点,针对精细测量的可行性,从传感器选取、测点布置方案、测量及数据后处理等方面进行了详细分析,提出了分布式热电偶精细测量方法,实现了采用点测热达到面测热的效果。针对简化的圆柱弹身加舵面的模型,完成翼舵缝隙精细测热试验,获得了翼舵干扰区峰值热流。试验研究了不同缝隙高度、舵偏角、迎角对翼舵干扰区热环境的影响规律,试验结果表明:翼舵缝隙对弹身干扰主要集中在舵轴干扰区。舵轴干扰区热环境随着缝隙高度的增加而增强,随着舵偏角和迎角的增大而增大。同时,试验结果与CFD计算结果对比表明,两者基本吻合。     

金属热防护系统边缘热短路研究

研究了金属热防护系统(TPS)的缝隙辐射及支架两大热短路问题。通过数值计算分析了缝隙宽度和缝隙辐射率对热短路的影响,完成了整体样件以及阵列组合件的稳态传热实验测试,定量地研究了热短路的影响情况。实验结果显示:支架处热短路现象明显,实验中支架引发的热短路温差高达50K;在773K以下,缝隙传热引发的温升随着缝隙宽度的增加而线性增加;在773K以上,辐射热传导在缝隙宽度超过3mm时即成为内部传热的主导机制,这时缝隙传热引发的温升不再随宽度增加而线性递增。所提供的数值分析和实验方法可为金属热防护系统的分析与设计提供重要的参考价值。     

高超声速平板/空气舵热环境数值模拟研究

针对高超声速平板/空气舵模型开展了热环境数值模拟研究,重点分析了舵偏角δr、舵缝高度h和边界层流态对缝隙内舵轴及干扰区热环境的影响规律。研究结果表明:零舵偏状态缝隙内气流速度为亚声速,热环境可以忽略;舵面偏转时,缝隙入口气流速度和压力显著增大,在δr=5°～15°范围内,舵轴及干扰区热环境随舵偏近似线性增长;舵轴及干扰区热流随h增大呈现先上升后缓慢下降的趋势,h从5 mm增大到7mm时,舵轴热环境增加超过1倍;边界层流态对空气舵缝隙内热环境影响很大,在15°舵偏条件下,层流状态舵轴及干扰区热环境约是湍流的3～5倍,这是因为层流边界层较薄,缝隙内流速更高。     

局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

冷环境中人体热调节的数学模拟与研究

针对冷环境对人体的影响特点, 建立了冷环境中准三维人体热调节系统数学模型, 采用数值方法对人体热调节系统数学模型进行求解, 计算了不同冷环境条件下人体温度分布及动态响应, 计算结果与实验结果相符。     

高超声速飞行器表面横缝旋涡结构及气动热环境数值模拟

针对高超声速飞行器表面横缝内部流动,通过求解可压缩Navier-Stokes方程,自主研发了一套能够较好模拟缝隙流动特性的CFD软件,利用该软件对横缝进行了数值模拟。研究表明,对于缝隙内黏性起主导作用的低速流动,通常需要密度足够充分的网格才能获得较好的计算结果。收敛后的壁面热流与文献实验热流吻合较好;缝隙内部旋涡个数近似与缝隙深宽比成比例,与文献中的有关结论完全一致。缝隙壁面热流分布受旋涡结构影响,会出现波浪式变化。因此,合理捕捉旋涡结构对于缝隙壁面热流的数值模拟有着重要意义,本文CFD软件对高超声速飞行器表面横缝的计算结果具有较高可信度。     

基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。     

三维副翼铰链力矩计算

 数值模拟了带副翼偏转构型的二维、三维亚、跨、超声速来流情况的绕流流场，采用有限体积方法和AUSM+迎风格式数值求解N-S方程，四步龙格-库塔时间推进，湍流模型为Baldwin-Lomax和Spalart-Allmaras湍流模型。二维模拟压强分布与实验数据以及CFD软件模拟结果吻合较好。采用交错对接网格，数值模拟了不同副翼偏角和缝隙、来流马赫数、迎角和雷诺数的三维构型流场。通过舵面铰链力矩与实验数据的对比分析表明了该数值方法模拟此类复杂流场的可靠性和舵面铰链力矩计算的有效性。发现并研究了亚声速来流时铰链力矩随迎角的反向变化趋势，初步分析了副翼的缝隙和雷诺数效应。     

金属蜂窝夹芯板瞬态热性能的计算与试验分析

 掌握热防护系统(TPS)中热结构超合金蜂窝面板在热环境下的传热隔热特性,是飞行器防热结构设计的先决条件。从镍基高温变形合金蜂窝板隔热试验出发,结合蜂窝板的试验和实际使用环境下的对流换热理论分析,建立了考虑夹芯的辐射、传导和对流传热形式的蜂窝面板的瞬态传热数值计算模型,得出镍基合金蜂窝板在高温下的防热特性。通过与试验结果进行对比,分析了试验误差和不同环境间的修正。讨论了部分蜂窝板设计参数对隔热效果的影响,得到了不同材料常数和蜂窝芯壁厚对隔热效果的影响规律。     

超燃冲压发动机二维热环境数值模拟

对超燃冲压发动机热环境进行了研究和计算.以二维N-S方程和一维瑞利加热规律为基础, 建立了超燃冲压发动机内流场的热环境计算模型;用MacCormark预测-校正格式编写了数值计算程序;对飞行马赫数Ma=6和Ma=8两种工况的超燃冲压发动机内部热环境进行了数值模拟, 得到了发动机内部流场的温度分布和壁面热流分布;对计算结果进行了分析.结果表明, 采用二维无反应流体计算和一维加热规律相结合的方法, 在超燃冲压发动机热环境研究中是可行且有效的.      

发汗冷却层板结构的受热皱损分析

针对液体火箭发动机层板发汗冷却推力室的结构层板可能出现受热皱损的问题,采用三边简支、一边自由的矩形薄板假设,对结构层板的扩散流动区进行稳定性问题的讨论。分析了典型结构的层板发汗冷却推力室由热应力引起的变形,获得了结构层板发汗缝隙宽度和层板厚度之间的关系,并通过算例说明了避免层板受热皱损的设计计算方法。     

不同热边界对超音速机翼气动热数值分析的影响

飞行器在超音速飞行时受到的气动加热效应给结构强度及热防护设计带来极大影响，且真实状态下的气动热环境需要考虑外流场与结构的耦合及内壁面边界条件的影响。采用S-A湍流模型求解Navier-Stokes方程，通过流场与固体壁面交界处的信息传递，实现外流场与结构场的耦合数值分析。针对三种不同翼型的超音速绕流气动加热进行耦合数值研究，对比翼型内壁面在不同热边界条件下的气动热效应，结果表明：不同翼型具有与气动力相似的的气动热效应；内壁面考虑对流换热的边界条件最接近真实；考虑机翼燃油箱满油时，三维机翼前缘驻点处热流密度最高可达4200w/m2。     

高速永磁电机定转子小间隙三维流场计算

为了考察高速、超高速下这种“定转子环形间隙+定子槽”并联冷却结构的流场特性,针对一台额定转速120 000 r/min的超高速永磁电机,采用计算流体动力学方法对定转子小间隙三维流场进行了研究,分别考虑了定子槽、轴向冷却流,以及转速对电机定转子小间隙流场的影响。结果表明:定子开槽后,原先存在于定转子环形间隙内的泰勒涡消失了,另外高转速、轴向流加强了环形间隙区气流与定子槽区气流的混合程度。研究结果为高速永磁电机转子热设计提供了重要参考依据。     

突扩间隙比对单通道扩压器内流动力特性影响的试验研究

为了研究突扩间隙比与扩压器内流动力特性的影响关系,采用水流模拟流动显示及PIV(Particle Image Velocimetry)流场测速试验方法,对不同突扩间隙比的内流瞬态流场、时均流场、雷诺切应力等关键流场信息所表征的扩压器内流动力特性进行了研究。结果表明:突扩间隙比为1.6～1.7时,静压恢复系数与总压损失系数比值达到最大,此时扩压性能最优;扩压器突扩间隙比为1.64时,主流从前置扩压器流出时由于强剪切作用卷起扩散涡,为维持突扩区域空间内流动稳定性,进而诱导出消耗涡;总压损失变化是突扩区消耗涡、回流扰动及火焰筒前缘背压反流共同作用的结果,雷诺切应力与总压损失系数成正比;扩压器出口速度分布对于突扩间隙比变化的不敏感性体现出较好的内流流动稳定性。     

基于k-ωSST模型的同心筒发射装置流场数值模拟

围绕同心筒发射装置流场数值模拟及结构优化展开研究,流场数值模拟基于轴对称Navier-Stokes(N-S)方程、k-ω shear stress transfer(SST)湍流模型,并运用域动分层动网格方法,以同心筒初始方案为参照,研究了同心筒发射过程的动态流场,在此基础上,分别对内筒收敛段的收敛角度以及筒口扩张段的扩张角度进行了优化研究,研究结果表明:内筒收敛段使得燃气排导更为通畅,筒内的热环境有所改善,并且内筒收敛段起到了一定的防喷作用,收敛角越大,筒底热环境越好;筒口扩张段对发射过程动态流场也有明显影响,收敛角为15°,扩张角为20°时,导弹从开始发射到完全出筒过程中热环境最为良好。      

转静系盘腔转盘风阻温升实验

采用红外测温技术对转静系盘腔转盘风阻温升特性进行了实验研究,利用高速旋转实验台测量了不同流动参数以及转静间隙比下转盘各半径处的壁面温升,并研究了径向出流处增加封严环对于转盘温升量的影响.同时通过CFD数值模拟得到转静系盘腔内流动特点.结果表明:由于风阻引起转盘温升量实际上就是转盘的绝热壁温与环境温度之差,并能通过红外热像仪准确测量.针对无封严开式转静系,转盘温升量主要受到旋转影响,仅在小转静间隙比时,通流的变化才会影响风阻温升.总体上,转静间隙比的改变对转盘温升影响不大.与封严转静系对比可知,在湍流参数较小的情况,封严环的引入会使转盘温度有所升高.      

固体火箭发动机喷管结构缝隙设计

通过热和结构计算，对固体火箭发动机喷管缝隙设计进行了分析。将燃气简化为一维等熵流以确定喷管内型面所承受的温度和压力载荷．基于三维有限元模型．计算了喷管的瞬时温度场。导入温度场分析结果，并用点一点接触单元模拟不同材料之间的接触状态，计算了温度和压力载荷联合作用下喷管的位移场和应力场。综合多个时刻的计算结果得到发动机工作过程中喷管结构缝隙和接触应力的变化趋势，并据此对设计缝隙提出了修改意见，结果可为发动机喷管设计提供参考。     

高超声速飞行器钝舵缝隙流动数值模拟研究

目前,带缝隙钝舵的缝隙引起的流场结构和气动加热规律变化,还很不明确,需要研究缝隙诱导所形成旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。通过分析高超声速钝舵缝隙气动加热问题,基于无缝隙钝舵,建立一种带缝隙钝舵简化模型。使用有限体积方法求解可压缩Navier-Stokes方程,通量采用van Leer通量向量分裂方法计算。插值采用MUSCL方法,时间项采用LU-SGS隐式方法。结果表明:无缝隙钝舵流场结构相对简单,带缝隙钝舵流场结构同无缝隙钝舵相比要更为复杂,舵轴上游缝隙内会出现马蹄形涡串结构,相应地在缝隙的上下表面均会出现马蹄形高热流区;受缝隙诱导分离再附流动的影响,在舵轴迎风面以及舵体侧面后部均形成了局部高热流区。     

分区和有限容积法计算长尾喷管中的湍流流动

为了给长尾喷管热防护结构设计提供热边界条件，从轴对称二维雷诺平均N－S方程出发，采用分区算法和有限容积法计算了长尾喷管中的湍流流动，分析了流场的结构特性，提出了长尾喷管中燃气温度，压强和马赫数分布的某些规律以及燃气温度沿壁面的分布，计算和分析结果提出了长尾喷管热防护结构设计应注意的事项。