喷管尺寸对电弧风洞流场和热环境的影响分析

为获得电弧风洞喷管尺寸对试验流场以及模型表面热流的影响规律，针对某特定模拟参数试验状态，采用高焓流动数值模拟方法对不同尺寸锥形喷管下的球柱校核模型试验流场进行了模拟和比较分析。研究发现，在模拟气流焓值和模型驻点热流的条件下，采用出口尺寸小的喷管所需电弧加热功率更低，同时单位流向截面上气流能量转化为模型驻点气动热的比例更低。不同喷管出口尺寸下，试验流场喷管出口区域热力学非平衡程度、波后氧原子质量分数、模型驻点区域压力以及表面传导热流和扩散热流占比都比较接近，但相较飞行状态存在明显差异；不同喷管出口尺寸下来流速度、激波脱体距离以及驻点线上平动温度之间的差异明显，喷管出口尺寸越大，其与飞行状态越接近。     

钝化前缘对栅格翼激波干扰与热流分布的影响

采用数值模拟与工程计算相结合的方法对高超音速栅格翼进行了研究,分析了在高超音速 情况下,栅格翼激波干扰对前缘钝度的敏感性以及对栅格翼热流分布产生的影响。结果表明 ：在同等栅格间距下,产生激波干扰的第三临界马赫数随栅格翼前缘钝度的增大而增加,传 统的尖前缘栅格翼理论不适用于钝化前缘外形。另外,激波干扰在栅格翼表面会产生局部的 高热流区域,但此热流峰值与前缘驻点相比仍然较低,因此对栅格翼热防护无额外影响。

     

导弹及其流场对红外导引系统干扰的数值研究

研究导弹高速飞行时,头部弹体材料和激波层流场由于气动加热产生的辐照在红外制导导引系统产生的干扰情况。根据导弹头部结构划分流场区域网格,确定辐照区网格,将导引系统第一镜网格化,确定相互间的空间关系,研究一种把气动流场的信息发送给在同一位置空间里辐照区的搜寻插值方法,建立导弹头部弹体材料和流场气体对导引系统的辐照干扰分布模型,并考虑导引系统的次镜向第一镜的屏蔽效果。计算结果是它们对第一镜的辐照干扰值的分布都是围绕导引系统第一镜中央呈圆环分布,第一镜的中央处辐照干扰最弱,沿半径方向逐渐增大到与次镜大小相等后,再沿半径方向减小。     

充气式返回舱气动热特性研究

文章针对航天器返回实时性和经济性的需求,以充气式返回舱为研究对象,研究该飞行器从空间站返回过程中的气动特性,重点分析气动热特性。文章通过引入分子运动论、Kemp-Riddell方法、Linear桥函数等计算方法,建立起该飞行器在自由分子流区、过渡流区和连续流区高超声速情况下的表面热平衡方程,得出了该飞行器返回过程中的驻点热流密度和驻点壁面温度。计算分析了该飞行器最大直径D1和半锥角α等几何尺寸对其气动热特性的影响,得到在一定范围内增大D1和α可以有效减小驻点热流密度和驻点壁面温度,并研究在峰值加热高度附近70km、80km处不同马赫数下的气动热特性。在此基础上,依据热防护系统材料和布局,将气动加热计算的表面热流分布作为外壁边界条件,分析了结构材料层的温度变化特性。     

月球坑内空间环境热流的分布研究

文章推导获得了月面阳光矢量和月球坑内探测器表面关系的表达式,采用蒙特卡罗法数值计算探测器各表面的辐射热流,分析了月球坑内环境辐射热流的分布特征。讨论了月面纬度、月球坑尺寸、月面发射率等参数对探测器表面热流的影响。计算表明:月面纬度增加及月球坑坑口半径的减小均会导致某些时刻阳光无法照射到坑底,从而与其他工况有较大的计算差别,两参数对探测器各面热流的影响规律不同;月面发射率对探测器表面热流的影响作用较大,增加月面发射率能明显降低探测器某些表面的辐射热流。     

再入返回器极端热载荷预测方法

为快速预测返回过程再入器的极端气动热载荷情况,文章以充气式再入器为研究对象,基于动力学运动方程及Kemp-riddell气动热工程公式,采用龙格-库塔方法开展了136组工况的返回过程数值计算,获得了充气式再入系统返回过程的轨迹弹道与驻点热流密度变化情况,研究了驻点热流密度峰值和峰值出现高度与弹道系数、球头半径及再入角度的关系,发现驻点热流密度随弹道系数、再入角度的增加而增加、与球头半径的二次方成反比;但极端热载荷出现高度随弹道系数增加而降低,与球头半径和再入角度无关。文章提出了航天器以第一宇宙速度返回再入时极端热载荷的工程经验公式,采用公式对飞船返回舱、返回式卫星的极端热载荷进行预测,所得结果和试验数据基本一致,表明该预测公式具有较高的准确性和较好的通用性。文章的预测方法适用于再入返回器的设计初期阶段,可快速预测返回器再入过程的极端气动热载荷,满足气动热估算需求,为再入器气动热防护方案的选择提供支持与参考。     

火星探测器表面材料催化特性数值模拟研究

针对火星探测器高超声速进入过程中的表面材料催化作用及其对气动热环境影响这一问题，建立了变壁面温度的火星大气表面材料催化作用模型，并基于火星大气物理化学模型和求解三维热化学非平衡N-S方程的数值方法，对典型火星探测器防热大底进行了数值模拟，获得了不同催化特性下的高超声速非平衡流场和气动热数据，分析了表面材料催化特性对气动热环境影响的规律性。研究结果表明：表面催化特性对壁面附近组分分布影响很大，催化反应进程主要受O原子浓度限制；有限催化热流随催化效率增大而增大，完全催化峰值热流比催化效率为1的有限催化峰值热流高25%~64%；表面温度随催化特性的变化规律与热流变化规律类似。有限催化模型能根据表面材料的催化特性精细化预测表面热流和温度，为防热设计提供更精确合理的参考标准。     

高超声速再入钝头体表面热流计算

采用边界层外缘无黏流场数值求解三维可压缩定常Euler方程,将所得物面压力分布作为边界层外缘条件,用于边界层内跟踪流线的轴对称比拟工程算法,计算高超声速有攻角再入钝头体的表面热流。某钝双锥算例结果表明:算得的表面热流与实验数据吻合很好。该方法较纯工程算法提高了精度,较数值求解整个流场Navi-er-Stokes方程节省计算时间,对准确计算全轨道飞行复杂形状高超声速飞行器表面的热流分布有一定价值,适宜高超声速飞行器方案设计阶段气动热环境预测的需要。     

高超音速化学非平衡层流粘性激波层钝头细长体绕流数值计算

本文研究了高超音速化学非平衡钝头细长体绕流的计算方法,给出了耦合求解连续方程和法向动量方程的具体做法,以及在高空情况下考虑滑移边界条件后的数学处理。计算结果表明,对钝头细长体,可以将计算推进到三十倍头部半径的后身区域。     

棱台式柔性外形气动力热环境仿真研究

文章利用修正后的计算流体动力学(CFD)模型,考虑变形影响,对比分析了可展开气动减速技术中3种典型气动外形的热流密度、气动压力和气动剪力分布规律。研究结果显示:传统回转体刚性外形的周向气动力热分布均匀,而棱台式外形在棱边处出现气动力热集中现象,且这种集中现象对于柔性外形更为明显;随着径向距离增加,3种外形的热流密度均逐步减小,而在过肩部处又陡然小幅上升;棱台式刚性外形与传统回转体刚性外形的气动压力分布规律一致,与棱台式柔性外形的气动剪力分布规律一致;棱台式刚性外形的气动力热特征整体上可以包络棱台式柔性外形的气动力热特征。     

高超声速飞行器鼻锥迎风凹腔结构防热效能研究

对高超声速飞行器鼻锥使用迎风凹腔结构作为热防护系统时,凹腔结构的防热效能进行了数值研究。通过与相关实验对比,验证了本文数值方法的可靠性,获得了鼻锥的流场参数,外表面、凹腔内壁面的热流分布,分析了不同的凹腔尺寸参数选择对鼻锥冷却效果的影响。结果表明迎风凹腔结构能够有效的对高超声速飞行器的鼻锥尤其是驻点区域进行冷却,凹腔越深,其冷却效果越好。鼻锥气动加热的最大热流并不在尖锐唇缘的顶点,而是位于凹腔内的侧壁面上,凹腔的深度(L)变化对最大热流的出现位置影响很小。除非凹腔很浅(L/D<0.5),凹腔底面的热流值都非常小,基本可以忽略。     

基于代理模型技术的返回舱外形优化

针对返回舱再入过程中需要满足的复杂气动力热务件,在典型高超声速条件下以升阻比和阻力系数为目标,以驻点热流和容积率为约束条件进行返回舱外形多目标优化设计。气动特性分析采用基于三维Navier-Stokes方程和结构网格的计算流体力学数值仿真（CFD）方法,采用Fay-Riddell经验公式计算驻点热流,采用NSGA－II优化算法进行全局寻优,为了增强多目标优化设计的计算效率,利用Kriging代理模型替代CFD计算,并引入改进的EI函数加点策略,大大减少了构建代理模型时所需的样本点数目。优化计算结果表明,代理模型计算结果与CFD计算结果误差可以控制在7％以内,基于代理模型技术的优化过程可以节省95％以上的计算开销。因此,该方法能够较好地满足初步设计的要求,为返回舱外形优化提供有益的借峪。     

具有复杂围护结构光学窗口的传热特性分析

针对具有复杂围护结构光学窗口传热特性,建立了高热流作用下的光学窗口及其复杂围护结构的辐射-导热传热模型,分别讨论了窗口的辐射半透明、光谱选择性、外部加热热流以及窗口尺寸对其瞬态温度响应的影响。结果表明,忽略窗口半透明特征会产生最大31.4%误差,忽略光谱选择性会产生最大40.4%误差;窗口外部气动加热热流影响显著,温度响应随热流的增大而急剧增大;窗口厚度对其传热特性的影响较大,随着厚度的增大窗口温度响应减小;而窗口半径产生的影响可忽略不计。     

高超声速飞行器前缘缝隙流动数值模拟研究

通过分析高超声速飞行器前缘防热瓦结构,建立了一种开缝前缘的简化模型。针对这一模型的流场通过求解三维可压缩Navier Stokes方程进行了数值模拟。研究了缝隙诱导形成的三维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。模型圆弧段缝隙肩部倒圆区因存在较强的三维效应形成“常规”高热流区,而缝隙内主旋涡再附致使侧壁上存在一个“非常规”高热流区;模型平直段展向流动诱导缝隙上方出现较强的旋涡运动,同时流动在缝隙倒圆区形成分离涡并于缝隙侧壁面再附,受这些旋涡运动的影响,缝隙肩部倒圆区转变为局部热流低值区,缝隙侧壁上存在局部热流高值区。     

航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护数值仿真研究

对航天器再入全过程轴对称烧蚀热防护进行了全过程数值仿真研究.采用修正Lees驻点热流密度方法和参考焓方法计算再入热流密度.采用JANAF模型计算烧蚀率.利用有限元法计算钝锥体再入航天器烧蚀层在移动边界条件下的轴对称温度场.采用碳化层-热解面-原始材料的轴对称碳化烧蚀模型;推导了热解气体流量计算方法.针对再入飞行大热流密度条件下,用有限元方法求解瞬态温度场时会产生的时间和空间上解的振荡问题.通过分析温度振荡现象产生的原因,采用集中热容矩阵向后差分方法解决振荡问题.计算结果表明,在时间步长选择合适的情况下,求解集中热容矩阵能够很好地解决数值振荡问题,同时烧蚀率和温度场计算比较准确.     

变比热对超燃冲压发动机尾喷管设计的影响分析

当气体总温较高时,气体的比热比将不再保持不变,而是温度的函数。由于超燃发动机尾喷管的入口温度很高,因此,在喷管型面设计时应该考虑比热变化对型面产生的影响。给出了基于量热完全气体模型和热完全气体模型的超燃冲压发动机尾喷管设计方法。并比较了比热比不变和比热比随气体温度变化时对喷管型面设计的影响。对量热完全气体的应用限制进行了初步讨论。     

On the dynamics of latitudinal profiles of low-energy solar protons in the Earth magnetosphere

Many works have been devoted to studying the boundaries of the penetration of solar protons into the Earth’s magnetosphere. This work first considers the dynamics of not only the boundary, but the latitudinal profiles of penetration in general depending on the energy and local time of measurement according to the data of the low-altitude CORONAS-F satellite. When flying through the polar cap, the isotropic pitchangle distribution of protons leads to the equality of the recorded precipitating flux and the proton flux in the interplanetary space. Beginning at a particular latitude, the proton flux begins to drop and, over time, reaches the level of the background of galactic cosmic rays. The latitudinal profile measured in this manner on the night side reaches the bending point when the Larmor radius of the proton becomes comparable with the radius of the curvature of the line of force; after partial trapping, the flux of precipitating protons successively drops. The protons are transferred to the day side by the magnetic drift and, unlike the night profile, the character of the day profile depends on the configuration of the entire magnetosphere. The character of latitudinal profiles has been studied depending on the local time and energy of the particles, which enabled the features of the magnetosphere deformation to be evaluated at certain times of magnetic storms.     

Drag reduction research in supersonic flow with opposing jet

A CFD study on drag reduction in supersonic flow with opposing jet has been conducted. Flowfield parameters, reattachment point position and surface pressure distributions are obtained and validated with experiments. From the analysis on the physical mechanism of drag reduction, it shows the phenomenon that, when the opposing jet blows, the high pressure region is located between the bow shock wave and the Mach disk, which makes the nose region much lower pressure. As the pressure ratio increases, the high pressure region is gradually pushed away from the surface. Larger the total pressure ratio is, the lower of the drag coefficient is. To study the effect of the intensity of opposing jet more reasonably, a new parameter R_PA has been introduced by combining the flux and the total pressure ratio. The study shows that the same shock wave position and drag coefficient can be obtained with the same R_PA with different fluxes and the total pressures, which means the new parameter could stand for the intensity of opposing jet and could be used to analyze the influence of opposing jet on flow field and aerodynamic force.