高超声速气动热辨识技术实验研究

为估计高超声速飞行中的气动热流,采用热流辨识技术研究了平板表面的气动热流.首先采用仿真数据对辨识方法进行验证,结果表明,在测量噪声较低时热流辨识结果误差较小.此后,开展了平板的高超声速气动热风洞实验,通过内埋热电偶测量平板内部温度,采用热流辨识法获得平板表面的气动热流,采用辅助测点对比验证了内埋测点辨识结果的可信度.最后将辨识结果与平板边界层热流理论估算结果进行对比,分析了两者产生误差的原因.本文的研究为热流辨识技术的实际应用奠定了基础.     

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。     

非烧蚀防热材料地面模拟试验有效性分析（英文）

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。     

低速引射对高超声速飞行器气动加热影响

为研究低速引射对高超声速飞行器气动加热的影响,对高超声速来流条件下大面积平板引射进行数值模拟,讨论了引射孔结构、迎角和引射入口速度对边界层流场的影响,得到了不同引射孔结构下壁面热流,引射影响因子及流动参数随引射入口速度的变化。结果表明:低速气体引射在一定程度上能缓解引射区域壁面和下游壁面的气动加热情况。4种引射状态中引射孔结构4(即面引射)壁面热流最低,其他3种引射孔结构冷却效果基本相当。相同条件下10°迎角低速气体引射降热效果明显优于0°迎角的情况。引射入口速度v=20 m/s时,0°迎角情况下,引射区引射影响因子约为0.23,即壁面平均热流降低约23%;10°迎角情况下,引射区引射影响因子约为0.45,约为0°迎角情况的2倍。     

气动热环境试验及测量技术研究进展

地面风洞试验和飞行试验是研究高超声速飞行器气动加热的主要手段。针对临近空间复杂气动外形高超声速飞行器气动热环境研究的需要，分析探讨了国内气动热试验及测量技术的发展情况。分析了临近空间高超声速飞行器外形特征以及飞行剖面、边界层转捩和气动热环境特性等，进而分析了气动热环境风洞试验模拟理论，介绍了适用于气动热研究的风洞试验设备及其模拟能力，重点讨论了适用于不同类型风洞的热流测量技术发展近况、存在的问题和发展趋势；在以长时间、高热流、高壁温为主要特征的高超声速飞行试验中，无法应用风洞环境下的热流测量技术，因而介绍了目前飞行试验中采用的气动热测量技术，讨论了根据结构温度反辨识表面热流存在的问题，以及热流传感器表面的"冷点效应"、表面催化特性等因素对飞行试验气动热测量的影响，提出了后续工作中应重点研究和解决的临近空间飞行器气动热环境测量技术问题。     

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。     

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。     

高超声速压缩拐角再附峰值热流率

给出三维和二维压缩拐角诱导激波与高超声速层流和湍流边界层相互作用的流场结构和前向压缩表面的热流率分布。实验气流M数为7．8，单位长度Re数为3．5×107／m。结果表明：激波与边界层相互作用能促进边界层转捩。只有基于再附峰值热流率位置长度的参考温度条件下的雷诺数足够低，相互作用过程才能是纯层流的。在全再附高超声速分离流中，再附峰值热流率可用Simeonides通用相关式进行估算。     

聚焦激光差分干涉法测量超/高超声速流动的进展

聚焦激光差分干涉法（Focused Laser Differential Interferometry，FLDI）作为一种非介入式高时空分辨率的测试手段，适用于高超声速风洞等极端实验环境。从典型FLDI的光路设计出发，介绍了FLDI技术的测量原理以及空间滤波特性；梳理了近年来国内外研究者为满足不同气动问题的研究需求，对典型FLDI技术做出的一系列改进；介绍了FDLI技术在超声速以及高超声速流场（包括高超声速自由流来流扰动、高超声速边界层不稳定波与转捩以及超声速射流噪声辐射等）测量中的应用。本综述展现了FLDI技术在超声速以及高超声速流场测量中的潜力，为后续开展FLDI技术的改进及相关高超声速流场精密测量提供参考。     

采用内部测温估计表面热流在高超声速风洞试验中的应用

表面热流预估方法利用试验件内部的温度来预估其表面热流。该方法的最大优点是测量温度的热电偶是内埋在试验件内部,不与外界的高温气流直接接触。该方法为高超声速飞行器飞行实验估计表面热流提供一种可行的途径。为了验证该方法在预测外界流场特性方面的能力,在航天空气动力技术研究院(CAAA)的 FD-03风洞中开展了一系列高超声速气动热风洞试验。试验中采用一块铝合金试验板,部分试验采用光滑平板,其余试验在试验平板的表面添加拌线以干扰外界流场。而后采用热流估计方法预估试验板的表面热流。预估结果表明,如由拌线产生的激波等外流场的强烈变化将在估计的热流结果中得到清晰的显示。     

三维楔体诱导高超声速层流分离油流显示实验研究

在高超声速风洞中采用油流显示技术开展了三维楔体诱导层流分离现象的实验研究。研究模型为矩形平板/三维楔体、三角形平板/三维楔体。研究结果表明:高超声速（马赫数6.0）局部层流分离结构不仅受楔体压缩角影响,受前体外形的影响也很明显;对于三角形前体,由于楔体上游来流存在横向流动,使得楔体诱导的分离流动结构完全不同于矩形平板模型,且在不同迎角下,分离线形状也存在较大差异;受三角形前体与三维楔体综合作用,诱导层流分离呈现非常显著的三维效应。     

高超声速气流中平板上粘滞激波层的数值研究(英文)

本文描述绕锐前缘平板高超声速流动的数值模拟结果。对完全粘滞激波层的数值模拟进行了逐次校验。计算出的密度分布型式、激波倾斜和斯坦顿数与其他作者的理论和实验数据进行了比较。得到了近似传热系数计算结果的经验相关式。     

斜激波入射V形钝前缘溢流口激波干扰研究

针对内转式进气道溢流口这一关键部位所面临的三维复杂激波干扰问题，将溢流口提炼简化为V形钝前缘平板，采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法，研究了前体斜激波与V形钝前缘溢流口相对位置变化引起的激波干扰的演化规律。结果表明:由于V形钝前缘自身的激波干扰，其驻点前弓形激波的脱体距离较大，波后存在大范围的亚声速区。当斜激波入射在该弓形激波接近正激波的部分时，发生Edney第Ⅳa类激波干扰，该流动结构与V形钝前缘自身带来的三维激波干扰相互耦合，形成多处超声速射流区域；当斜激波入射在该弓形激波亚声速区的声速点附近时，呈现出不同于Edney第Ⅲ类激波干扰的波系结构；当斜激波入射在该弓形激波的超声速部分时，形成的波系结构与Edney第Ⅱ、Ⅵ类激波干扰类似。     

表面摩擦应力油膜干涉测量技术在 Mα=8的应用

在Φ0.5m高超声速风洞中开展了表面摩擦应力油膜干涉测量技术在Ma=8的应用研究。在记录干涉图像的同时,使用红外热像仪记录模型表面温度,通过标记点进行坐标转换,获得测量点处油膜的温度,对比地面校准中获得的硅油黏性-温度曲线,确定油膜的实际黏性系数,从而提高摩擦应力测量精度。开展了平板模型摩擦应力测量试验,不同黏性硅油测得结果的标准偏差与平均值的百分比不超过10%,试验结果与平板层流边界层理论估计值吻合。     

任意迎角二维平板的超声速和高超声速俯仰振动导数

应用频率的摄动法,本文得到了任意迎角二维平板机翼的超声速和高超声速俯仰振动导数。该导数是由包括直到缩减频率的五阶项所组成的。数值结果表明高阶项的贡献在较低马赫数或大迎角情况下是很重要的。作为平均迎角趋于零的特殊情况,本文的数值结果与超声速线化的位流理论是一致的,在高超声速情况与活塞理论一致。     

电弧加热器超声速湍流平板烧蚀流场变化研究

电弧加热器超声速湍流平板烧蚀试验技术是研究防热材料烧蚀特性的重要手段。为研究超声速湍流平板烧蚀过程中流场变化情况，采用数值求解二维N-S方程的方法进行试验流场模拟。从模拟结果看，未烧蚀模型外形流场模拟得到的模型表面参数结果与试验结果吻合很好。然后对烧蚀过程中的模型外形进行了流场模拟，并与试验流场进行对比，根据模拟结果分析了试验过程中模型表面压力和热流密度分布的变化。根据分析可知，如果平板模型烧蚀量最大的位置在初始高热流区内，可以采用该烧蚀量计算烧蚀速率。     

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。     

尖前缘任意翼型的超音速和高超音速俯仰安定性导数

本文推广了文[1]的欧拉方程摄动法,讨论了尖前缘任意翼型俯仰安定性导数的计算方法,并应用该方法计算了双圆弧翼型的俯仰安定性导数,其数值结果与文[2]的超音速线化位流方程有限差分法的数值结果比较,更接近于实验值。在激波附体的条件下,本文的方法可用于计算大迎角尖前缘任意翼型的超音速和高超音速俯仰安定性导数。