高超声速飞行器外形热流密度分布计算的高精度方法研究

为提高高超声速条件下飞行器表面热环境的计算精度,发展了高精度算法WCNS-E-5,并开展了热流密度分布的数值计算研究.该算法采用的是五阶精度加权显式非线性格式,结合四阶精度的二阶偏导数差分近似、四阶精度的边界格式,同时还对网格偏导数及温度梯度也离散为四阶精度.通过求解三维Navier-Stokes方程,数值研究了高超声速飞行器外形如钝锥和双椭球体的物面热流密度分布.模拟结果表明,这种保证全流场高精度的WCNS-E-5得到的流场图像清晰、真实.与通常的二阶算法MUSCL对比,WCNS-E-5具有更高的流线分辨率,获得的热流密度更接近于实验测得分布.     

可降低气动热效应的类凹腔外形优化设计

针对飞行器上由凸起物形成的类凹腔气动加热问题,采用数值方法求解三维N-S方程,研究了类凹腔外形结构的高超声速气动加热规律,获得了三维高超声速流场和局部热流分布,并详细分析了局部的流场结构和气动加热机理。针对凹腔前壁面热流密度过高的问题,提出并验证了一种降低前壁面边缘热流密度的优化外形,将前壁面的热流密度降低至优化前的20%左右。     

非结构网格高超声速MHD流场逆风格式数值模拟

应用逆风通量分裂格式在非结构混合网格上对二维高超声速理想磁流体绕钝头体的流场进行了数值模拟。控制方程为Euler方程耦合Maxwell方程的理想MHD方程,空间离散采用AUSM格式,时间推进采用显式5步Runge-Kutta格式。引用双曲型散度清除技术加强·Ｂ＝0的条件。计算模型为二维钝头体,在高超声速来流条件下,对不同磁感应强度的均匀分布磁场干扰下的流场进行了计算,得到了较满意的结果,并与有限的参考文献进行了对比。结果表明本文发展的方法可用于高超声速MHD方程的求解。     

高超声速钝球柱外形表面热流分布研究

文章采用数值求解雷诺平均Navier-Stokes方程方法对高超声速钝球柱地面试验模型进行了计算,比较了不同头部半径和肩部半径条件下表面热流的分布特征。研究表明：钝球柱头部区域表面热流分布与头部半径和肩部半径紧密相关。其中,头部半径对热流分布特征和热流大小均存在显著影响。当头部半径较小时,头部区域热流呈现双峰值分布,热流由驻点峰值逐渐下降,接近肩部时开始上升,至肩部峰值点后又继续下降。随着头部半径的增大,驻点热流减小,肩部热流增加,双峰值分布逐渐演变为单峰值分布,热流由驻点单调上升至肩部峰值点;相对于头部半径,肩部半径主要影响热流大小,驻点热流和肩部热流均随肩部半径的增大而增加,不同肩部半径计算模型的头部热流分布规律基本一致。     

高超声速飞行器主动气膜冷却热防护数值仿真研究

为研究高超声速飞行器头部全覆盖保护情况下的气动热分布特征,文章提出一种微孔射流的主动气膜热防护方案,并对射流微孔分布进行优化;通过数值求解N-S方程,得到高超声速飞行器头部的驻点压力及表面、附近温度分布。研究结果表明,在主动气膜冷却热防护下,高超声速飞行器壁面温度可以降到1000 K以下。该方案可为未来高超声速飞行器的外壳设计提供参考。     

高超声速气流非结构化网格DSMC算法研究

高超声速气动热力学环境的研究是直接涉及飞行器轨道控制、热防护设计的关键问题之一。文章通过研究稀薄气体热化学非平衡态中的热力学环境,采用非结构化DSMC程序对“火星探路者号”（Mars Pathfinder）探测器的Ballute减速装置在地球大气层和火星大气层中的高超声速飞行进行了数值模拟,计算得到了流场的温度分布、探测器壁面的热流密度分布,分析表明稀薄气体热化学非平衡态对飞行器流场有影响。将仿真结果与NASA兰利研究中心的计算结果作了比较,二者吻合很好。研究结果可用于飞行器热防护设计。     

高超声速飞行器复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案

采用DSMC方法,研究了高超声速三维复杂外形飞行器在过渡领域飞行的气动力、热特性.提出了一种对飞行器物面网格与DSMC计算域网格分别标识,进行高超声速复杂流场过渡区DSMC数值模拟的一种新方案,通过判断模拟分子与表面碰撞来完成飞行器物面网格与DSMC计算域网格间的信息传递和信息存贮,对于复杂外形飞行器的精确描述的物面网格不需做进一步处理,直接应用于不依赖于飞行器外形的DSMC计算的通用子程序中.对物面网格的标识、分子的运动及与表面碰撞的判断、流场量的采集的实施方法和细节进行了分析和讨论.仿真计算了三维复杂飞行器流场压力、热流分布量,飞行器表面气动力、气动力矩和气动热参数,证明了采用的方案和技术的有效性.     

用空间推进算法模拟高超声速进气道流场

在有限体积法框架下，采用空间推进算法SSPNS（Single-Sweep Parabolized Navier-Stokes Algorithm）求解抛物化NS方程（即PNS方程），在流向采用LU—SGS隐式积分，而横向无粘和粘性通量则分别采用AUSM系列格式和中心格式计算。用该方法对1个二维高超声速进气道和2个三维高超声速进气道流场进行了数值模拟，得到的流场波系结构、壁面压力及传热系数分布与文献中相关数值解和实验数据基本一致，表明SSPNS法能够准确地模拟超燃冲发动机进气道内的高超声速流动。对比研究表明，SSPNS法与求解FNS（Full Navier＼lStokes Equations）方程的传统时间迭代法相比，二者计算精度相当，而SSPNS计算速度快1～2个量级，存储量至少低1个量级。本文的研究为CFD在超燃冲压发动机部件及一体化优化设计中的集成，以及大型高超声速工程流动的高效计算，打下了良好的基础。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器流场特性数值仿真研究

采用数值仿真方法,开展了高超声速飞行器(HIFIRE-5)的流场特性计算研究,精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象,并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明,所用数值计算方法有效,横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因,该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

基于HIFIRE-5外形的高超声速飞行器

采用数值仿真方法，开展了高超声速飞行器（HIFIRE-5）的流场特性计算研究，精确捕捉高超声速流场中的波系、背流面横向流动及表面流动现象，并对激波及横向流动其机理进行了详细分析。结果表明，所用数值计算方法有效，横向流动和横流失稳是产生流场三维涡系结构的主要原因，该认识可为类似外形高超声速飞行器的气动外形设计、优化及气动特性分析提供参考。     

加热片粘结质量无损检测方法研究

加热片在粘结过程中,由于操作不当,在粘结层内会出现气泡、分层、夹杂等缺陷,这些缺陷会导致加热片传热不均匀,引起热量集聚,进而加热片中加热丝被烧坏,最终造成加热片失效,严重影响设备的正常运行,甚至使整个设备报废。因此,设备在投入使用前进行全面无损检测是十分有必要的。无损检测有很多种方式和方法,针对加热片粘结质量进行无损检测试验,对比分析空耦超声单侧一发一收法、空耦超声对侧一发一收法和太赫兹检测法对加热片的检测效果,结果发现,太赫兹无损检测法对加热片粘结层内部缺陷具有很好的检出率,试验研究为加热片粘结层内部缺陷的检测提供了有效方法。     

红外加热笼边缘效应对卫星表面热流均匀性的影响研究

文章研究了红外加热笼边缘效应对卫星表面到达热流密度均匀性的影响,主要通过增加边缘加热笼并将其翻转一定角度的方法,对红外加热笼的设计进行优化,以改进卫星表面的到达热流密度均匀性.建立了变角度情况下蒙特卡罗仿真计算的几何模型,对3种情况进行了计算和分析,得到了对红外加热笼的边缘效应进行优化设计的方法,可以用于指导多种情况下的红外加热笼设计.     

Destructive materials thermal characteristics determination with application for spacecraft structures testing

In many practical situations it is impossible to measure directly thermal and thermokinetic properties of analyzed composite materials. The only way that can often be used to overcome these difficulties is indirect measurements. This type of measurements is usually formulated as the solution of inverse heat transfer problems. Such problems are ill-posed in mathematical sense and their main feature shows itself in the solution instabilities. That is why special regularizing methods are needed to solve them. The general method of iterative regularization is concerned with application to the estimation of materials properties. The objective of this paper is to estimate thermal and thermokinetic properties of advanced materials using the approach based on inverse methods. An experimental–computational system is presented for investigating the thermal and kinetics properties of composite materials by methods of inverse heat transfer problems and which is developed at the Thermal Laboratory of Department Space Systems Engineering, of Moscow Aviation Institute (MAI). The system is aimed at investigating the materials in conditions of unsteady contact and/or radiation heating over a wide range of temperature changes and heating rates in a vacuum, air and inert gas medium.     

飞行器突起物周围气动加热的计算方法

有压缩拐角区域的突起物的局部气动加热问题表现为流动的分离与再附。许多研究人员对这类突起物的气动加热问题做了大量的理论和实验研究。本文通过对其流动情况的分析，结合大量的实验数据，对压缩拐角区域气动加热问题，给出了一种有效的工程计算方法。     

真空热试验中红外笼对伞状天线非稳态加热过程数值仿真

文章针对真空热试验红外加热装置计算机辅助设计中的非稳态过程模拟问题,以一种较为复杂的伞状天线结构为例,以红外笼作为加热装置,对真空热试验环境下的加热过程进行数值仿真研究。采用红外笼的等效加热面模型简化仿真模型,使计算负荷可以达到工程应用的水平,同时满足模拟精度的要求。数值仿真与试验数据对比证明,所采用的计算方法可以为红外笼等红外加热装置的设计提供准确的非稳态加热过程模拟。     

大攻角翼面超声速热颤振分析

分析了大攻角超声速翼面气动加热条件下的热颤振。根据模态叠加法建立颤振运动方程,用当地流活塞及小扰动线性化理论分别计算超声速区和亚声速区的非定常气动力,状态空间法与Runge-Kutta法结合仿真求解结构动响应。给出的两个工程实例计算结果表明,该方法计算精度可满足工程要求。另外还讨论了气动加热效应对颤振的影响。     

圆台形红外加热笼仿真优化研究

在真空热试验中,圆台形航天器通常选用圆台形的红外加热笼作为外热流模拟装置。文章对圆台形红外加热笼模拟热流进行仿真计算,分别就红外加热笼与被加热面的平行距离对边缘效应的影响和红外笼的锥角对边缘效应的影响进行分析,得到红外加热笼优化设计方法,以提高航天器表面热流密度模拟的均匀性。该方法可用于指导圆台形航天器进行真空热试验时的工装设计。     

对接机构真空热试验外热流模拟方案研究

根据对接机构的结构特点和真空热试验要求,提出了红外笼、电加热片,以及红外笼+加热片组合3种对接机构外热流模拟方案.仿真计算了在真空罐模拟环境中各方案对接机构构件的稳态温度分布,并与轨道环境进行了比较.确定了最大温差构件.结果表明:红外笼方案较简单,适于正样飞行产品;电加热片和红外茏+加热片方案的地面模拟准确性较佳,适于初样地面产品试验.     

发动机和羽流对地球同步卫星底部辐射加热的计算研究

地球同步卫星工作过程中法兰底座所受的辐射加热对法兰上的控制开关等零件的安全有重要影响。为此,建立了节点网络法计算发动机和隔热屏对卫星法兰底座及控制开关的辐射加热,比较了发动机、隔热屏和羽流3种辐射源的作用大小,还研究了发动机位置的平移对底部法兰及控制开关辐射加热的影响。研究表明:羽流对法兰和控制开关的辐射热流最小,发动机对法兰和控制开关的辐射热流最大;法兰和控制开关上不同侧面受到的辐射加热很不均匀,面向发动机正面的侧面辐射加热最强,面向发动机头部的侧面辐射最小;发动机向后平移可以显著降低法兰和控制开关上辐射热流的最大值。     

转动帆板红外热流计算及等效方法研究

目前的空间外热流分析软件和在航天器稳态热平衡试验中模拟的外热流都不包括帆板对航天器表面的红外加热,而有时帆板的红外加热并不小,应该叠加到模拟的外热流中.文章针对一种低轨道航天器,计算了帆板红外加热的强度,给出了在热平衡试验中叠加的方法,并讨论了在固定帆板方位的同时保持其红外热流等效的可能性.结果表明,可以精确计算帆板红外加热,对任意的帆板方位均可以保持其红外加热的等效.