长尾喷管传热及烧蚀特性研究

针对长尾喷管的热防护问题,本文采用实验和数值仿真结合的方法,研究了采用SQ-2推进剂固体火箭发动机复合结构长尾喷管的传热以及烧蚀特性。仿真程序采用基于格心的有限体积法,对流体域求解Navier-Stokes方程,对固体域求解热传导方程,湍流模型采用k-ω SST模型,通过保证热流密度大小相等、温度连续的方法实现耦合传热计算;在以上仿真计算方法的基础上建立了基于热解动力学的变热物性模型描述碳/酚醛材料的体积烧蚀,并采用简化的异相反应模型对喷管热化学烧蚀量进行计算。结果表明在收敛段和等直段区域压强变化较小,炭化层厚度和烧蚀量与温度分布相似, 并在距离等直段入口约1.6mm位置达到极小值。碳/酚醛材料炭化速率随时间减小,烧蚀速率随时间增长趋于稳定,而喉衬区域C/C复合材料烧蚀速率随时间增加。     

Newton型迭代法在求解烧蚀边界条件控制方程中的应用

对于采用烧蚀手段进行防热的高超声速飞行器而言,利用有限速率烧蚀条件下的防热层热响应与流场耦合计算,则可以更加准确地预测包括气体烧蚀产物在内的化学非平衡流场特性。基于稳态能量平衡假设(SSEB),本文对有限速率烧蚀边界数值处理方法进行了初步探索。采用Newton迭代法对表面质量和能量平衡方程进行迭代时,为了避免Jacobi矩阵求逆困难,发展了一种基于对角化Jacobi矩阵的Newton型迭代法。以碳基石墨防热材料有限速率烧蚀边界为例,通过与相关文献的壁面温度、热流以及流场不同组分质量分数等计算结果的比较,表明了这种Newton型迭代法在数值求解有限速率烧蚀边界方面的有效性。     

喷管碳基喉衬的烧蚀

一、计算方法和结果 喷管材料的烧蚀主要是热和化学作用的结果。热量来自碳与燃气中的氧化元素之间的异相化学反应,以及对流和幅射传热。本文中的解析模型用来预测喷管温度分布及烧蚀率。在处理联结核心流及喷管壁面的边界层流动时,把传热传质数值作为壁内导热计算的输入数据。边界层的边界条件是由一维无粘定常流的解来确定的。在材料响应的分析中介入了幅射边界条件,在UTC数据上引入了一个有效辐射系数。用有限元计算方法求解瞬态热传导方程来确定喷管壁内温度分布随时间的变化关系。     

用有限元显式算法解具有烧蚀动边界的传热问题

本文借助于运动坐标系用显式有限元算法求解烧蚀动边界的传热问题。通过坐标变换,在变换平面内确定固定的有限元结点,物理平面内对应的结点随边界的烧蚀而运动。在线性插值函数模式下温度的时间导数在三角形单元中处处相等的假设下导出有限元方程的显式计算格式。对横观各向同性材料的端头帽在再入飞行中的烧蚀和瞬时温度场的计算结果与用有限差分法计算的结果相互吻合。     

烧蚀端头的瞬变外形及内部温度分布

本文通过对传热、烧蚀和形状变化的耦合计算取得了各向同性和各向异性石墨再入端头帽的温度场。直接从热传导偏微分方程出发,通过座标变换,建立三层无条件稳定的显式差分格式,计算简捷。在碳表面,包括十七组元的平衡烧蚀计算表明,壁面的主要化学成分有N_2、CO、C_2N、C_3、CN等几种。对非线性形状变化方程,采用可显式计算的隐式差分格式,稳定性良好。二种石墨端头的温度场差别很大,但算例条件下的总烧蚀量相差无几。     

高粘度SiO_2材料烧蚀传热机理及试验验证

通过对高粘度SiO2材料的烧蚀及传热分析,建立了硅基材料的固体层一液体层的耦合烧蚀计算方法.给出了材料烧蚀过程中烧蚀速度、液层厚度、液层温度及固体温度的表达式及求解方法,并把计算结果与电弧加热器平板烧蚀试验的液层厚度分布及烧蚀量的精确测量结果进行了对比.结果表明新模型的液层厚度及烧蚀量与实验结果符合很好.     

滞止式温度传感器动态理论建模研究

根据滞止式温度传感器的换热原理建立了动态理论传热模型,采用数值计算方法对模型方程进行了求解,并对计算结果进行了分析.     

Gr/Al防热材料的传热特性

通过对Gr/Al防热材料进行氧乙炔烧蚀实验,测定其在烧蚀过程中的升温特性曲线。发现在烧蚀过程中Gr/Al中Al的熔化和蒸发有效地减缓了材料的升温速率,起到很好的热防护作用,并根据Gr/Al的传热特性,建立了传热模型,理论计算与实验结果吻合较好。     

再生冷却推力室耦合传热数值模拟

对大推力液体火箭发动机再生冷却推力室内部燃气、室壁和再生冷却剂进行了耦合传热数值计算.采用二维轴对称N-S方程描述推力室内部燃气的湍流流动与传热,对冷却剂流动采用简化的一维模型,通过室壁的偶合传热采用一维传热模型.N-S方程的求解采用贴体坐标系下的有限容积法,速度和压强的耦合采用可压缩的SIMPLE算法.湍流的模拟采用可压缩的标准κ-ε模型,辐射传热采用热流模型计算.研究表明,本文方法可较好地模拟燃气的二维流动,同时能快速计算壁面热流密度、壁温和冷却套温升,计算结果对大推力发动机推力室的设计具有一定的指导意义.     

烧蚀对再入体绕流电子数密度影响的数值研究

从化学非平衡NS方程或其简化形式(粘性激波层方程、PNS方程)出发,采用分区求解的方法数值模拟含泰氟隆烧蚀产物的高超声速再入体流场.首先计算分析了RAM-C飞行试验状态和一个考核算例,对计算方法和程序作了初步验证.其次耦合烧蚀壁面边界条件和流体控制方程,采用19组分28个反应的化学反应模型,对有、无烧蚀情况下高超声速钝锥体再入绕流及底部流场进行了数值模拟,深入分析了烧蚀产物对再入流场电子数密度及温度分布的影响.     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

绕三维物体亚音速振荡位流及其在飞行器动导数计算上的应用

 本文介绍处理不同外形三维物体亚音速振荡绕流一种统一的方法。本方法的主要特点是采用有限元素法直接解由格林定理导出的物面速势积分-微分方程以求得物面的速势分布,然后再用有限差分法对速势进行微分求物面的压力分布。 由于本方法理论上比较严格,适用于复杂外形物体绕流的计算,所得结果又比较准确,因此近几年来在国外得到越来越广泛的应用。在本文中,采用了与有关文献相同的基本方程,但在气动影响系数的计算上略有不同,本文并将这一方法应用于飞行器动导数的计算,所得的结果与实验结果符合。     

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

相变调温服相变传热研究(英文)

为了研究相变调温服的热防护性能,介绍了人体热调节模型,利用焓法建立了相变传热数学模型。在整个区域建立统一的能量方程,采用控制容积有限差分法对方程进行隐式离散,用追赶法求解方程组得到各节点的焓值,求出相变材料内表面的温度。通过相变调温服人体热调节模型,计算出人体的动态温度分布及出汗量。计算结果表明,核心温度的变化与试验结果相符,出汗量相差不大,所建相变传热模型合理可靠。通过比较人体穿着相变调温服和未穿该服装时的动态温度分布及出汗量,可以看到穿着相变调温服能显著地减轻人体的热负荷。     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

C/SiC材料主动氧化烧蚀计算研究

建立了C/SiC材料的热化学平衡烧蚀模型,进行了C/SiC材料烧蚀机理的计算研究和试验验证,理论计算结果和试验数据符合良好。计算结果表明,在高温空气环境下,C/SiC材料的无因次质量烧蚀率B与材料中C元素、Si元素的质量分数及温度、压力有关。在同样条件下,C/SiC材料主动氧化烧蚀速率大于C/C复合材料烧蚀速率。     

固体火箭发动机碳基材料喷管热化学烧蚀特性

为了准确预示固体火箭发动机碳基材料喷管的烧蚀率,依据热化学烧蚀理论,建立了喷管传热烧蚀的二维轴对称气-固-热耦合计算模型,计算通过FLUENT壁面化学反应模型完成,无需事先假设烧蚀控制机制。针对70-lb BATES发动机喷管进行了烧蚀计算,研究了推进剂配方、氧化性组分、燃烧室压强对喷管烧蚀的影响。结果表明:烧蚀率计算值与试验测试值吻合较好;烧蚀率分布遵循喷管内壁热流密度分布规律,在喉部上游入口处达到峰值;烧蚀率随推进剂Al含量增加而降低,随燃烧室压强升高而近似正比例增大;H2O是决定烧蚀的主要氧化性组分。     

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。