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。     

再入飞行器端头烧蚀的耦合计算方法

端头烧蚀是超高速飞行器再入过程中非常关心的问题。端头材料在高温高压环境中,因烧蚀其原有气动外形和结构传热边界不断变化,而气动外形和传热边界的变化又反过来影响端头热流、温度分布和烧蚀量。它们之间表现出复杂的强耦合、非线性特征。本文以碳基材料端头帽烧蚀过程为例,发展了端头帽绕流、烧蚀和结构传热耦合计算方法。通过气动、烧蚀和结构热响应计算程序的耦合和迭代,实现了对端头帽再入烧蚀过程的实时动边界模拟,并在飞行试验条件下,得到了与测量数据基本吻合的结果。     

SOFC多孔电极有效导热系数的实验和模型研究

固体氧化物燃料电池（SOFC）内部流动传热和化学反应复杂，容易产生热不平衡区。获取高精度的多孔电极有效导热系数对于建立多物理场耦合数值分析模型和电池热管理具有重要的意义。基于稳态法设计并搭建了多孔材料有效导热系统实验平台和测量系统，在372.1~932.4 K温度范围内详细测量了多孔电极实验样件温度分布，通过多孔材料内传热理论分析，基于现有EMT和ME1数学模型，利用比例因子t构造了温度修正的SOFC多孔电极综合有效导热系数的计算模型。同时通过对比孔隙率为0.2349~0.4178的3个实验样件表面温度的计算值和实验测量值，验证了该有效导热系数模型的有效性和高精度。     

基于分区迭代推进方法的锥体热环境研究

针对锥体热环境问题,提出了气动热与结构传热的分区迭代推进分析方法。其中流场采用有限体积法计算,空间离散采用AUSM+格式。时间推进采用显示多步Runge-Kutta格式,结构热传导采用有限元方法求解,而数据传递采用基于虚拟空间的插值方法。圆管验证算例分析显示,2 s时刻驻点处的热流密度和温度的计算值与试验值的相对误差分别为1.34%和4.95%。最后进行了直二次圆锥体的热环境分析,壁面初始热流密度值与试验值吻合得很好,其中驻点热流的计算值与试验值的相对误差为3.1%。耦合分析过程中驻点温度随时间的推移而升高,且上升趋势逐渐变缓,最终趋于稳态值。此外时间的变化对锥体表面压强的影响可忽略不计,而壁面热流却随时间的增加而降低。     

酚醛树脂热解产物高温燃烧详细化学反应机理简化

针对流动/酚醛树脂热解产物燃烧耦合数值模拟过程中使用详细化学反应机理带来的数值刚性问题,以保证计算精度要求,对酚醛树脂热解产物详细化学反应动力学模型进行简化研究。选取Chemkin-Pro中的良搅拌反应模型,对由53种组分325个基元反应组成的甲烷掺氢气详细化学反应动力学机理进行了敏感性分析和生产速率分析,得到包含15种组分15个基元反应的简化机理。结果表明:简化化学动力学模型能充分地再现详细基元反应模型的反应机理的主要特征,大幅缩短计算时间,进而用于高超声速条件下酚醛树脂热解产物引射及其对边界层扰动的计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)中。     

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。     

基于流-固耦合方法的涡轮叶片热应力仿真

为真实模拟超高速转子的工作性能,必须对涡轮叶片进行流体-热-结构耦合分析。将有限元软件中提供的流-固耦合仿真技术应用到涡轮叶片瞬态传热计算中,利用ANSYS CFX建立了涡轮叶片与高温燃气的流-固耦合传热模型,该模型既包括了固体与固体之间的接触传热,也包括了流体与固体之间的耦合传热。以某涡轮转子为例进行了流-固-热耦合分析仿真计算,获得叶片的瞬态温度场分布和热应力。在此基础上结合整个涡轮叶片的实际工作状况对其模拟结果进行定性分析,验证其分析方法的可行性,为实际涡轮叶片设计优化提供了理论依据,有助于叶片加工工艺方法的改进,其分析方法对类似问题的处理也很有借鉴意义。     

驻点壁面催化速率常数确定的研究

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡Navier-Stokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应Durm-Kang空气化学模型和轴对称热化学非平衡Navier-Stokes方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Pt、SiO2、Ni和某种飞船材料的催化速率常数，建立了数值分析高焓流动边界层催化特性的软件。     

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。     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析

流场化学非平衡度与材料表面催化反应的耦合控制着服役于化学非平衡流场中非烧蚀防热材料表面的气动热载荷，若在该类防热材料性能模拟研究中忽略这一耦合效应，地面模拟试验将无法获得材料的有效使用性能。为此，本文依据钝头体高超声速飞行器边界层驻点热流关系式，分析了影响驻点热流的主要流场参数、地面高焓模拟设备所提供的高焓超声速流场特点以及与飞行热环境之间的主要差异，采用CFD分析了"三参数"模拟方法的有效性。针对化学非平衡边界层驻点传热分析，提出"四参数"模拟方法并分析了"四参数"模拟方法中离解焓无法模拟时的防热材料性能并提出初步解决方法。     

Two-Way-Coupling Method for Rapid Aerothermoelastic Analyses of Hypersonic Wings

Several types of coupling methods for resolving aerothermoelastic problems associated with hypersonic wings are summarized,and the appropriate coupling methods for engineering calculations are selected.Then,the calculation and analysis methods for the subdisciplines in this field are introduced,and the time step issue is discussed.A two-way-coupling rapid static aerothermoelastic method for analyzing hypersonic wings is proposed.This method considers thermal effects and is used to conduct an aerothermoelastic response analysis for a hypersonic wing.In addition,the aerodynamic force,heat flux,structural deformation and temperature field are obtained.The following three conclusions are drawn.First,the heating effect has a significant impact on the static aeroelastic response of hypersonic wings;therefore,thermal protection shields are essential.Second,the application of thermal protection shields reduces the differences in the calculation results between the one-and two-way-coupling methods.Third,hypersonic wings exhibit large thermal deformation under high-temperature environments,and in certain cases,the thermal deformation is even larger than the deformation caused by aerodynamic force.     

高超声速有翼导弹多场耦合动力学的研究和进展(下)

在对国内外文献调研的基础上,就有关高超声速有翼导弹多场耦合动力学分析和仿真技术的研究和发展现状进行评述,包括气动加热、大攻角非定常气动力、结构传热和温度场分析、热弹性耦合和热模态分析、耦合动力学分析的数学模型和求解方法等内容。最后针对高超声速有翼导弹提出进一步研究开发的建议。     

轻质点阵主动冷却壁板热流固耦合响应分析

提出一类以点阵材料为夹芯的新型轻质主动冷却壁板,研究了Ma=6条件下的该壁板的流固耦合传热性能及热结构响应性能,并从热防护、热强度和轻量化等几个方面与槽道式主动冷却结构进行了综合比较。采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,考虑了几种典型的点阵夹层结构与冷却液动态换热过程的相互影响,分析中考虑了碳氢燃料与合金材料热物理性质随温度的变化以及湍流换热,求解获得了流体与结构的三维瞬态温度场,并通过顺序耦合求解获得了结构的应力场。计算结果表明,在相同的热环境下,高孔隙率的轻质点阵夹层结构的流固界面换热性能远高于槽道式主动冷却结构,因此结构的最高温度也较低,同时应力集中问题也有所缓解。通过对不同构型的点阵夹层结构的比较发现,胞元构型对其传热性能和结构应力应变有显著的影响。     

超声速燃烧室性能一维数值模拟

由气体动力学基本定律,推导出燃烧室性能分析的一种一元流计算方法。该方法考虑了面积变化、质量添加、两相流、多组分效应、化学反应、壁面摩擦、壁面散热等因素的影响。与试验数据的对比分析表明,该方法能够准确描述超声速燃烧室两相参数分布,从而为燃烧室方案设计阶段的快速性能评估和设计优化提供了一种有效的手段。     

空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析

可重复使用的空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析可为结构设计、选材等提供参考依据。本文针对全C/SiC复合材料襟翼结构,考虑传导与辐射耦合换热,建立了其再入过程热分析的有限元模型。由有限元计算结果的分析发现:辐射换热在整个温度场中起主导作用,并且对于采用防热-结构一体化设计的可重复使用的空天飞行器,C/SiC是比较理想的结构材料。     

Numerical Analysis on Thermal Function of Clothing with PCM Microcapsules

To study the influences of phase change material(PCM) microcapsules in clothing on human thermal responses,a mathematical model is developed. The improved Stolwijk's model is used to simulate human thermo-regulatory process,and the coupled heat and moisture transfer including the moisture sorption/desorption of fibers and effects of phase transition temperature range on the phase change processes of the PCM is considered in clothing model. Meanwhile,the theoretical predictions are validated by experimental data. Then,the interactions between human body thermal responses and the heat and moisture transfer in clothing are discussed by comparing the prediction results with PCMs and without PCMs. Also the effects of fiber hygroscopicity on clothing and human thermal responses are compared. The conclusion shows that the clothing with PCMs microcapsules can delay the human temperature variations and decrease the sweat accumulation rate on the skin surface and heat loss during changing of ambient conditions,and fiber hygroscopicity reduces the effect of PCM microcapsules on delaying garment temperature variations very significantly.