内流热环境的热流模拟方法

对内流热环境的热流测量方法进行了试验研究和模拟,对比分析了内流热环境与外流热环境的不同.采用超声速矩形湍流导管试验技术,利用等离子电孤加热器进行了内流与外流热环境的表面冷壁热流测量和材料考核试验.结果表明:在来流条件相同的情况下,与外流热环境下的测量值相比较,内流热环境下的冷壁热流值高出40%多,相同材料的背面温度高出400℃.通过直接测量的冷壁热流换算得到的热壁热流值却不到外流热环境下的热壁热流值的50%.因此,进行发动机防热设计时,必须进行材料考核试验,必须考虑材料的使用热环境,否则对材料的烧蚀性能的评估影响很大.     

薄膜电阻温度计原理性误差分析及数据处理方法研究

薄膜电阻温度计是高超声速测热试验中一种常用的传感器,多用于激波风洞中。改进薄膜电阻温度计测热数据的后处理方法,分析其原理性误差,提出修正方法,可以进一步提高热流测量精度,为防热设计提供可靠数据。应用三维热传导理论,考虑热流和温升的耦合影响,计算了气动加热条件下薄膜电阻温度计结构温升情况,得到了铂层内的温度分布规律,并与一维半无限简化理论得到的薄膜电阻温度计表层温度相互对比,得到了模型简化带来的原理性误差;建立了由表面温升计算表面热流的导热反问题计算方法,与经典的Cook-Felderman处理公式和热电模拟网络处理方法相互对比,提出了修正热流值的方法,为提高热流测量精度提供了一种可行的手段。     

再入飞行器鼻锥逆向喷流对流场及气动热的影响

 使用计算流体力学（CFD）方法研究逆向喷流热防护系统对降低再入飞行器鼻锥物面热流的效果,获得了流场参数,回流再附点位置,物面压力分布以及热流分布。分析了逆向喷流对降低物面热流的物理机理,喷流通过与来流相互作用形成马赫盘,将来流导流到四周,不与物面直接作用形成气动加热,同时喷流回流形成低温区,降低物面与接触气体的温差,进而降低了物面热流。随着总压比率增大,这种效果越明显,气动加热越轻。为更合理分析喷流强度对流场及传热量的影响,将总压比率和流量相结合,提出了新的参数R PA。分析该参数的应用效果,结果发现不同的流量与总压比率组合成相同的参数R PA,可以实现相同的激波位置、再附点位置、表面热流峰值位置和总传热量。这说明该参数可用于表征喷流强度,用以分析喷流对流场及传热量的影响。     

高温壁面热流与温度一体化测量传感器研究

为了测量超燃冲压发动机燃烧室的热环境,从Gardon热流计原理出发,发展了一套水冷热流/壁温一体化测量技术。采用热阻分析方法,对传感器的热结构进行了分析与优化设计。测试了多种隔热与外壳材料对传感器响应特性的影响。通过辐射加热方式对传感器进行了标定,获得了热流/电压、壁温/热流的标定曲线。采用该传感器,在模拟马赫数6、总温1800K的来流条件下,对超声速燃烧室的热环境进行了初步测量,获得了与传热分析相一致的结果。     

一种无烧蚀自适应的减阻防热新方法研究

为了解决传统激波针方法在高超声速实际应用中存在的问题,结合逆向喷流方法以及激波针方法,提出了一种无烧蚀自适应的高超声速减阻防热新方法一可伸缩姿态自调整喷流激波针方法(TSAJS).通过数值模拟的方法,针对不同L/D参数的TSAJS外形,对不同攻角、来流马赫数以及喷流马赫数状态下的流场结构、壁面压力和热流分布以及阻力系数等进行了对比研究.结果表明,TSAJS方法在有攻角状态仍然能够有效降低外形的阻力以及壁面热流,L/D为1的TSAJS外形可使壁面热流峰值及阻力系数均降低65％左右.在喷流作用下,TSAJS方法还可避免激波杆头部直接暴露于来流而产生严重的气动加热,从而不需要再特别考虑激波针的防热问题.     

来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响

针对高超声速飞行器表面缝隙内部流动,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计算流体力学(CFD)软件。利用该软件研究了来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响。计算结果表明:随着来流雷诺数的增加,缝内旋涡结构呈现主涡个数增多形态趋于饱满的变化趋势,缝隙壁面绝对热流和无量纲热流增加;随着来流马赫数的增加,缝内主涡个数、形态基本不变,但主涡旋转速度增加,缝隙壁面绝对热流增加,无量纲热流基本不变;随着来流迎角的增加(迎角较小时),缝内旋涡结构和热流变化规律基本与增加来流雷诺数相同。由此分析可知,涡量向下传递并形成旋涡的距离,即形成所谓"死水区"的深度,主要由来流雷诺数和来流迎角决定。     

尖化前缘高导热材料防热分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境,提出疏导式热防护结构( TPS),为飞行器前缘提供热防护.采用有限元法和有限体积法,分别对在特定工况下飞行的尖化前缘固体域和流体域进行计算,验证了前缘内嵌高导热材料的防热效果,其中来流马赫数为6.5时,头部壁面最高温度下降了13.6％,尾部最低温度升高了16.7％,实现了热流...     

长时间隔热材料环境的稳态热流测量方法

介绍并研究了一种基于一维稳态热传导原理的三段稳态塞式量热计.该量热计通过测量探芯中间康铜段前、后表面上的温差来得到壁面热流密度.适合稳态、低热流状态下,驻点及大面积区长时间隔热材料上的多点测量.首先从理论上分析了三段稳态塞式量热计的稳态热流测量原理;然后采用超声速矩形湍流导管试验技术,利用等离子电弧加热器进行了表面热流测量试验.结果表明:在包含来流参数约±4%的系统误差情况下,三段稳态塞式量热计的测量重复性偏差为±7.6%,经误差分析得到该量热计的热流测量精度在5%以内.     

含灰气体平板气动加热实验研究

利用灰尘激波管入射激波后平衡区两相流开展平板传热实验。在低灰尘负荷率，来流分别为亚声速和超声速流条件下测量平板在零攻角及小攻角情况沿轴向的热流分布。     

高超声速多体分离过程气动加热计算技术

发展了无粘外流解与气动热工程方法相结合的用于全机外形复杂流动气动加热计算技术,并将其与动态多体分离过程流场解相结合,提出了一种高超声速飞行器多体分离过程气动加热特性计算技术,然后耦合结构传热,实现了飞行器热防护系统中结构材料温度分布特性的数值模拟。采用本文方法,针对假定高超声速多体分离布局及飞行条件开展了分离过程中的结构温度分布特性与热流密度分布特性计算,分析并给出了组合体分离过程中部件干扰对气动热的影响特性。结果表明本文发展的计算技术可为高超声速飞行器的防热方案设计、气动热特性定性分析及热防护系统设计等提供技术支持。     

表面热流可辨识性初步分析

表面热流的可辨识性分析可用于飞行器防热层内温度测量精度和测温点位置的确定,在工程上有较强的实用意义。从无量纲分析和仿真辨识出发,根据防热层材料热物性系数、测点位置、表面热流的频域特性等参数对表面热流辨识结果的影响规律,总结出了表面热流辨识问题的相似参数：基于表面热流频率参数的傅立叶数。此后,以这一傅立叶数为判据,针对不同测量误差值的情况初步建立起了表面热流可辨识性的准则和分析方法。     

多喷流干扰级间热环境风洞试验研究

运载火箭级间热分离过程中,级间段受高温高压喷流的影响,所处环境恶劣,研究级间热环境中压力、温度和热流分布规律对级间段结构的优化具有重要意义。在Ф1m高超声速风洞中,采用以微型固体火箭燃气为喷流介质的热喷流模拟技术,模拟了运载火箭二级主发动机和四个游动发动机同时工作多喷流干扰条件下的级间热环境,并对级间压力、温度和热流测量试验技术进行了研究,获得了不同级间距、不同排燃窗开口数量情况下的二级底封头和一级前封头表面的热流、温度及压力分布特性。试验结果表明,级间距越小,分离环境越恶劣,压力、温度、热流分布越不均匀;总排燃面积保持不变,排燃窗开口数量变化,对一级前封头上的压力、温度、热流影响不大,但对二级底封头影响较为明显,随着开口数量的减少,二级底封头上压力、温度、热流值均有所增大。本项试验采用同轴热电偶测量了级问区域的热流,热流结果精准度的提高以及热流模拟准则还需进一步探索和研究。     

传感器局部温度差异对压缩拐角热流测量的影响

针对高超声速飞行器在进行热流测量时存在的传感器与其周围热防护材料之间的热匹配性问题,即冷点效应问题,采用自主研发的计算程序研究了冷点效应对压缩拐角表面热流分布的影响,得到了在不同压缩拐角特征流动区域内冷点效应对其表面热流分布的影响机制。计算结果分析表明：冷点效应的存在会显著地提高冷点区域内的表面热流值;在压缩拐角的分离域内,冷点效应造成的热流增长幅度较大,在再附点附近,冷点效应造成的热流增长幅度较小。     

航天器再入大气层热力分析

以OREX（orbital reentry experiment vehicle）的飞行试验数据和相关的CFD数值模拟结果为基础,采用传热理论及相关公式,分析计算了OREX再入大气层过程中的轨迹,驻点处热流密度非平衡假设和平衡假设下的换热问题.所计算的轨迹、热流密度非平衡假设下计算的驻点温度和热流密度值同试验数据及相关的CFD数值结果取得了很好的一致,相应的计算方法可作为航天器驻点热力分析的通式.然而在平衡假设条件下,尽管计算所得到的驻点热流密度与之前的CFD数值结果差别不大,但这种情况下计算得到的温度与试验数据不符,这应归结于计算的热流密度结果对驻点处温度变化的不敏感.比较非平衡假设和平衡假设下的换热计算结果表明,对于航天器再入过程中的热力探讨不能仅仅满足于热流密度分析,对温度的考察或许更重要.      

木材在锥形量热仪上的点燃实验研究

利用锥形量热仪研究了外加辐射热流和电火花点火高度对木材着火时的点燃时间、表面温度、质量损失速率等点燃特征参数的影响,提出了室内火灾中木材点燃的临界质量通量判据。研究结果表明,增大外加辐射热流,木材点燃时间缩短,点燃的临界表面温度减小,但临界质量通量不变;增大电火花的点火高度,木材点燃时间延长,点燃的临界表面温度升高,临界质量通量增大;对于特定场所,可以用临界质量通量作为木材点燃的判据。     

基于径向基神经网络的气动热预测代理模型

为快速获取高超声速飞行器表面热流数据并缩短飞行器气动热设计周期,提出了一种基于径向基神经网络的气动热快速预测代理模型方法。首先,在飞行器表面每一个离散化的网格节点单独构造一种正则化的径向基神经网络。随后,通过训练集对所有网络同时进行训练,获得各自网络的连接权值。最后,所有网格节点的神经网络协同预测飞行器表面不同位置的热流。对NASA火星实验室的椭圆钝化高超声速飞行器的应用表明,所提出的代理模型方法在模型训练完成后能够快速进行飞行器表面热流预测,并且模型具有良好的泛化能力,在驻点及迎风大面积区域热流预测结果与数值模拟的偏差在10%以内。     

Experimental investigation on aero-heating of rudder shaft within laminar/turbulent hypersonic boundary layers

The aero-heating of the rudder shaft region of a hypersonic vehicle is very harsh, as the peak heat flux in this region can be even higher than that at the stagnation point. Therefore, studying the aero-heating of the rudder shaft is of great significance for designing the thermal protection system of the hypersonic vehicle. In the wind tunnel test of the aero-heating effect, we find that with the increase of the angle of attack of the lifting body model, the increasement of the heat flux of the rudder shaft is larger under laminar flow conditions than that under turbulent flow conditions. To understand this, we design a wind tunnel experiment to study the effect of laminar/turbulent hypersonic boundary layers on the heat flux of the rudder shaft under the same wind tunnel freestream conditions. The experiment is carried out in the ?2 m shock tunnel(FD-14 A) affiliated to the China Aerodynamics Research and Development Center(CARDC). The laminar boundary layer on the model is triggered to a turbulent one by using vortex generators, which are 2 mm-high diamonds. The aero-heating of the rudder shaft(with the rudder) and the protuberance(without the rudder) are studied in both hypersonic laminar and turbulent boundary layers under the same freestream condition. The nominal Mach numbers are 10 and 12, and the unit Reynolds numbers are2.4 × 10~6 m~(-1) and 2.1 × 10~6 m-1. The angle of attack of the model is 20°, and the deflection angle of the rudder and the protuberance is 10°. The heat flux on the model surface is measured by thin film heat flux sensors, and the heat flux distribution along the center line of the lifting body model suggests that forced transition is achieved in the upstream of the rudder. The test results of the rudder shaft and the protuberance show that the heat flux of the rudder shaft is lower in the turbulent flow than that in the laminar flow, but the heat flux of the protuberance is the other way around,i.e., lower in the laminar flow than in the turbulent flow. The wind tunnel test results is also validated by numerical simulations. Our analysis suggests that this phenomenon is due to the difference of boundary layer velocities caused by different thickness of boundary layer between laminar and turbulent flows, as well as the restricted flow within the rudder gap. When the turbulent boundary layer is more than three times thicker than that of the laminar boundary layer, the heat flux of the rudder shaft under the laminar flow condition is higher than that under the turbulent flow condition. Discovery of this phenomenon has great importance for guiding the design of the thermal protection system for the rudder shaft of hypersonic vehicles.     

高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。