湍流条件下防热瓦缝隙热环境特性实验研究

在激波风洞中马赫数6.1、雷诺数6.2×107/m 的流场条件下,基于平板模型开展了防热瓦缝隙热流测量实验,研究了湍流平板边界层情况下 T 字和十字2种布局缝隙的缝壁热流分布,以及流向角、缝隙宽度、缝隙深度和缝口台阶高度的变化对缝隙热环境的影响。结果表明,缝口边缘特别是 T 字口迎风壁存在很高的局部热流,测量峰值达到11.6倍平板值,流向角为30°~60°时2种布局缝隙的热环境相对较好,缝壁及缝底热流随缝隙宽度和缝口台阶增大而升高。     

高超声速飞行器前体/冲压发动机一体化气动热实验研究

以超燃冲压发动机为动力的飞行器,由于飞行速度的增加,气动加热增强,而且在高马赫数范围内,冲压发动机燃烧室的滞止温度也是很高的.通过风洞实验,采用铂膜电阻温度计热流测量技术,开展了来流马赫数6.4和马赫数4.0两种状态下的热流分布规律研究,给出了前体、中支板及内通道的热流实验结果,研究了边界层流动状态、边界层抽吸、激波反射对热流分布的影响.实验结果表明,边界层流动状态对热流分布产生显著的影响,前体湍流热流值约为层流热流值的3.3倍;边界层抽吸会引起热流率增加;激波反射和激波加热对热流分布影响显著,马赫数越大激波加热越强.     

导管内塞式量热计热流测量实验及数值模拟研究

对电弧风洞中超声速湍流导管内塞式量热计进行改进,采用测热端与校测件线接触的量热计和测热塞块边缘与校测件有0.4mm 缝隙的量热计。与传统的塞式量热计热流测量值进行对比,实验结果表明,在低压、低冷壁热流条件下3个量热计输出特性较接近;而随着压力、冷壁热流的增加,线接触量热计测量值略有降低,而测热端与校测件有缝隙的量热计测量值大幅增加。最后,通过数值研究了缝隙内的流动对热流测量的影响,同时,模拟了其它来流条件不变时来流马赫数对缝隙内流动的影响。     

防热瓦式防护系统缝隙热控设计规律

建立了热防护系统(Thermal protection system,TPS)缝隙气动热分析的计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模型,将缝隙热流密度分布情况与平板热流进行了对比,结果表明由于缝隙的存在缝隙上端出现了热流峰值,并且缝隙迎风面热流密度大于背风面热流密度,缝隙热流密度主要集中在缝隙上端与缝隙宽度相当的区域内;采用分析获得的缝隙热流密度建立了缝隙热控分析的有限元传热模型,结果表明缝隙气动热和缝隙类空腔辐射会造成机体表面温度的升高,是造成缝隙热短路现象的原因;最后研究了缝隙几何形状(缝隙宽度、缝隙倒圆角以及缝隙台阶)对缝隙热控性能的影响,分析结果表明随缝隙宽度增加,机体表面最高温度升高。随缝隙倒圆角半径增加,机体表面最高温度降低。随缝隙台阶高度增加,台阶正差时机体表面最高温度升高,台阶逆差时机体表面最高温度降低。     

刚性隔热瓦瞬态热传导及影响研究

针对高超声速飞行器中广泛使用的刚性隔热瓦热防护设计方案,采用Ansysworkbench有限元分析软件,建立了刚性隔热瓦有限元模型,通过瞬态热传导求解器,开展相应的温度场分析,获得了刚性隔热瓦热防护内表面温度随时间的变化历程。进一步,针对影响刚性隔热瓦热防护内表面温度的关键因素,如缝隙宽度、表面辐射率、热导率和材料密度等,开展了相应的影响规律研究,为高超声速飞行器热防护方案设计提供一定的参考。     

机动弹头舵轴热环境分析

机动弹头舵轴热环境是高超声速飞行器热防护系统设计中需重点考虑的局部问题,舵轴缝隙中流动结构极其复杂,且舵轴局部热环境峰值相对于大面积区域要严重得多。针对高超声速机动弹头舵轴热环境问题,结合数值模拟方法和激波风洞试验,研究了舵轴热环境随迎角、舵偏角、马赫数和飞行高度等参数的变化规律。结果表明,对于十字布局的气动舵,大迎角时水平舵轴热环境最为严酷;在小迎角条件下,水平舵轴无量纲热流随舵偏角和马赫数逐渐上升,但在大迎角情况下,马赫数和舵偏对水平舵轴无量纲热流的影响较小。在此基础上,建立了适用于舵轴热流峰值预测的四参数插值拟合方法,可用于舵轴峰值热环境随飞行历程的快速预测。     

带气膜冷却结构的高超声速平板不同前缘形状下表面传热特性研究

当带红外成像制导系统的飞行器在稠密大气层内做高超声速飞行时,必须采取主动冷却方式防止严重气动加热造成的窗口材料热畸变以及复杂流场造成的气动光学畸变。本文根据成像窗口周围流动具有受高超声速钝头体绕流和气膜冷却结构(即背面为空腔的超声速后台阶)共同作用的特点,在 KD-01高超声速炮风洞中开展了带气膜冷却结构的高超声速平板在不同前缘形状下表面传热特性的试验研究,测量了 Ma8来流条件下喷缝下游表面传热系数,试验获得了2种前缘形状的带气膜冷却结构的高超声速平板喷缝周围瞬态流场 NPLS 图像。通过分析试验数据,得出以下结论:对于带气膜冷却结构(气膜不工作状态)的高超声速平板,模型前缘的形状对喷缝下游区域的表面热流整体分布有明显影响,在钝前缘情形下,表面热流分布接近相同前缘形状的平板边界层为层流状态时的表面热流分布;在尖前缘情形下,表面热流分布则表现出从层流边界层状态向充分发展湍流边界层状态变化的特性;喷缝下游分离和再附区表面传热特性和超声速后台阶流动类似,取决于喷缝上缘处边界层相对厚度。     

狭窄缝隙内的热流分布实验研究

在脉冲风洞中,和15.5,相应雷诺数的来流条件下,分别用平板和平头圆柱模型测量了狭窄缝隙内的详细热流分布。缝隙宽2mm,深25mm,模型攻角缝隙相对气流的偏转角β=0°～90°。本文给出了缝内典型热流分布结果,讨论了马赫数、攻角和偏转角对缝内热流分布的影响并与现有计算方法和实验数据进行了比较。     

气动加热环境下大攻角翼面超音速颤振分析

研究大攻角翼面超音速热颤振的分析方法,内容包括气动加热、温度场、热应力和热模态分析,大攻角翼面非定常气动力计算和热颤振分析。提供了一套从流场分析开始到颤振临界参数搜索的一体化热颤振工程分析方法。气动力方面,应用激波膨胀波理论计算大攻角翼面的当地流场参数;应用参考焓方法计算大攻角翼面气动加热的热流密度;以当地流活塞理论计算翼面超音速非定常气动力。结构方面,利用有限元方法进行翼面瞬态温度场和热模态分析,然后用模态叠加法建立颤振运动方程;应用状态空间法和时域递推积分的方法求解颤振运动方程。工程实例的热颤振分析表明,在Ma〉3的高马赫数下热颤振临界动压比常温的颤振临界动压明显下降,高马赫数下翼面的热颤振分析在工程设计中值得重视。     

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。     

高超声速对流环境下冷点效应对圆箔式热流传感器测热特性的影响研究

在高超声速对流环境测量气动加热时,圆箔式热流传感器表面温度往往低于被测物体表面温度,这种表面温度的不连续会影响边界层流动,使热流测量结果产生偏差。针对高超声速对流条件下的钝头-平板模型,采用数值模拟方法研究了传感器表面局部低温引起的"冷点效应"形成机理以及对表面热流的影响。结果表明:被测物体表面壁焓H_w与恢复焓H_re的比值H_w/H_re越高,"冷点效应"越明显;传感器表面温度T_w2与被测物体表面温度T_w1的比值T_w2/T_w1越小,"冷点效应"越明显;来流雷诺数Re对"冷点效应"影响较小。在马赫数Ma=18的来流条件下,研究分析了冷点效应对传感器测量结果的影响,结果表明:冷点效应使测量结果偏高1.25倍,复现了热流预示结果与试验结果的差异。     

高焓加热实验壁面催化效应分析

高焓地面加热实验中存在显著的壁面催化复合现象。热防护材料催化性能较低时，如果进行状态标定时不考虑壁面催化效应，将导致地面加热考核实验欠考核。基于平板加热实验，通过结构传热分析与地面实验数据对比，发展了高焓加热实验壁面催化效应分析方法。该方法可以评估加热实验状态典型热防护材料催化效应，从而为地面实验方案改进和完善提供技术支撑。通过分析发现，对于某热防护材料，催化效应使得真实受热仅为标定热流的85%左右，在采用铜制塞式热流传感器进行热流标定时，需要考虑催化效应加严考核条件，才能保证有效考核。     

7°尖锥高超声速边界层转捩红外测量实验

为了推动高超声速边界层转捩研究的深入开展,给边界层转捩机理研究、物理模型验证、转捩数据库构建和转捩天地相关性的建立等提供基础风洞实验数据,在中国空气动力研究与发展中心的Φ1 m高超声速风洞开展了边界层转捩规律红外热图实验。针对半锥角7°尖锥模型,研究了不同单位雷诺数、迎角和马赫数对尖锥边界层转捩位置的影响规律。实验单位雷诺数（0.49~2.45）×107/m,迎角范围-10°~10°,马赫数5~7,模型头部半径0.05 mm。通过红外热图技术测量模型表面温度分布,获得了较为详细的转捩位置和转捩参数影响规律。实验结果表明:在马赫数5~7范围内,马赫数增大,尖锥转捩位置提前,分析认为是高马赫数时的雷诺数较大、自由流噪声水平较高引起;随着单位雷诺数的增大,边界层转捩位置前移,转捩雷诺数保持不变,约为3.0×106;小迎角时,随着迎角的增大,迎风面边界层转捩推迟,背风面边界层转捩前移,在10°大迎角时,迎风区中心线转捩前移,出现迎角"转捩逆转"现象,背风区出现了流动分离导致的低热流条带。     

电弧加热流场湍流度对尖锥边界层转捩影响的研究

电弧加热流场的热环境特性直接影响热防护系统的地面试验数据,由于电弧加热器高温气流和参数波动的原因,直接测量湍流度非常困难.为研究电弧加热流场湍流度对于边界层转捩的影响,采用红外热图热像仪,在电弧加热流场中进行了5°尖锥模型边界层转捩研究.结合数值计算,将试验结果与常规风洞的尖锥边界层转捩结果进行了比较.结果表明:马赫数影响的雷诺数转捩判别准则可以用于计算电弧加热流场的转捩雷诺数;电弧加热流场的尖锥边界层转捩雷诺数显著小于常规风洞的转捩雷诺数,表明在该试验条件下,电弧加热流场的湍流度显著大于常规风洞.     

飞行器气动加热环境与结构响应耦合的热结构试验方法

阐述了将结构热试验和气动加热计算相结合,实现气动热分析与热试验相耦合的试验控制方法。为飞行器的气动加热和结构热响应耦合分析提供了一个解决思路,同时为结构热试验热载荷条件的制定提出了新的方法,对应用复杂防热结构的飞行器的气动热分析和结构热试验具有重要的意义。     

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.