导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

热气动弹性变形对飞行器结构温度场的影响研究

气动加热造成的结构温升可能造成飞行器结构失效从而带来安全隐患。准确预测结构温度场在高超声速飞行器热防护系统与结构设计中显得尤为重要。气动热与传热耦合是提高结构温度场预测精度的有效手段,经长期研究与发展,不管是耦合方法研究还是实际工程应用都已开展了大量工作。但这些研究工作均未考虑结构变形对气动加热和结构温度场的影响。而在实际飞行过程中,特别是长时间飞行后,结构变形对结构温度场的影响往往是不能忽略的,对气动力/热环境也都有直接的影响。本文以飞行器静热气动弹性计算方法为基础,对高超声速飞行器机翼模型进行了考虑热气动弹性变形影响的气动热与传热耦合计算,并与不考虑变形对热环境影响情况的计算结果进行了对比分析。结果表明,虽然对于大面积区域变形对气动热/结构温度场的影响较小,但对于热防护结构重点关注且精度要求较高的前缘驻点附近区域计算结果变化明显。由此,也说明了考虑弹性变形对结构温度场预测的重要性。该研究工作为进一步提高飞行器结构温度场预测精度和结构热安全性能评估能力奠定了基础。     

高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞行器的无黏外流(边界层以外)数值解和边界层内热流求解两个部分,同时耦合了防热结构传热计算模型、高温化学非平衡热效应估算方法以及弹道状态动态插值方法,可用于快速计算与分析三维复杂外形高超声速飞行器在弹道飞行状态下全机热环境参数、防热结构内温度场等随飞行时间的变化特性。以RAM-CⅡ、类Ⅹ-37B等典型高超声速飞行器为研究对象,在设定的飞行条件及热防护方案下,进行了气动加热与结构传热问题的求解,给出了全机表面热流密度与防热结构材料温度的时变特性。结果对比表明,所发展的方法具有快速、高效的特点,且计算精度可满足工程设计初期选型需求,可为高超声速飞行器的热防护系统初期设计及热环境特性快速计算分析提供技术支持。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

高超声速飞行器多层复杂热防护结构气-固耦合快速热分析方法

为了实现高超声速飞行器多种复杂结构热防护系统的气-固耦合快速热分析,采用热网络法建立非稳态等效一维传热模型;对于具有弧度的热防护结构,提出了驻点和翼前缘热阻等效计算方法,并给出了修正计算公式;结合气动热环境工程算法,实现了对任意多层复杂防热结构外部气动加热与内部结构传热的快速耦合分析。分别对钝锥气动加热和高超声速二维圆管气-固耦合传热问题进行了模拟,得到了与实验符合较好的结果,且计算效率很高;并对Micro-X验证机的全过程进行了耦合热分析,结果表明多层防热结构具有很好的防热效果,显著降低了结构内部温度。和传统耦合算法相比,此算法可快速有效地分析模拟气-固耦合问题,满足高超声速飞行器热防护系统初始设计阶段的使用要求。     

面对称高超声速飞行器三通道耦合稳定性控制策略设计判据

针对面对称高超声速飞行器强耦合、弱阻尼的特点，研究了其耦合姿态的有效控制问题。首先，利用稳定轴系的概念推导出了姿态角加速度表达的面对称高超声速飞行器三通道失稳敏感性判别式。然后，给出了三通道耦合稳定性控制策略设计判据。最后，设计了某型面对称高超声速飞行器三通道耦合的姿态控制律，并进行了仿真。仿真结果表明，当控制律满足三通道耦合稳定性控制策略设计判据时，飞行器的姿态稳定；反之，则会出现各类耦合失稳问题。所提控制策略设计判据操作简单、实用性强。     

高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

高超声速多体分离过程气动加热计算技术

发展了无粘外流解与气动热工程方法相结合的用于全机外形复杂流动气动加热计算技术,并将其与动态多体分离过程流场解相结合,提出了一种高超声速飞行器多体分离过程气动加热特性计算技术,然后耦合结构传热,实现了飞行器热防护系统中结构材料温度分布特性的数值模拟。采用本文方法,针对假定高超声速多体分离布局及飞行条件开展了分离过程中的结构温度分布特性与热流密度分布特性计算,分析并给出了组合体分离过程中部件干扰对气动热的影响特性。结果表明本文发展的计算技术可为高超声速飞行器的防热方案设计、气动热特性定性分析及热防护系统设计等提供技术支持。     

基于仿真的高超声速巡航飞行器系统效能评估

在工程/交战级攻防对抗仿真与SEA方法相结合的效能评估框架中,基于测度论提出了效能指标及其计算方法,评估了处于设计阶段的高超声速巡航飞行器,很大程度上避免了人为因素对飞行器系统效能的影响.最后,以一个简单的战情为应用对象,使用基于HLA开发的攻防对抗仿真系统,评估了高超声速巡航飞行器的系统效能.     

高超声速飞行器结构/控制耦合综合研究

针对高超声速飞行器的结构/控制耦合问题,分析了结构/控制耦合效应关系.通过有限元分析方法对高超声速飞行器结构进行静力计算,结合计算结果,从结构弹性变形及弹性振动两方面出发,分析研究结构刚度特性对控制制导特性产生的影响,并对影响因素和耦合效应进行定量或定性的分析及评估,为高超声速飞行器的结构设计以及控制制导系统的设计提供参考.     

高超声速进气道前缘流场-热-结构耦合分析

通过分析高超声速流场-热-结构耦合问题的机理过程,对多场耦合模型进行了数学物理描述,以此发展了松耦合分析策略框架。在此基础上,采用自适应耦合计算时间步长、混合插值策略和复杂外形网格变形等方法,实现了多场耦合分析平台。针对高超声速飞行器进气道前缘结构的耦合特征进行了初步分析研究,计算结果揭示了在持续长时间飞行条件下流场-热-结构耦合的时空分布特征,为深入开展高超声速飞行器热防护系统的综合性能评估及优化提供了理论与技术支撑。     

基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究

新一代高超声速飞行器的发展给防热设计问题带来严峻挑战。根据飞行器热环境多场耦合特性,提出了一种基于多场耦合的热环境数值分析策略,并在此基础上发展了基于Navier-Stokes方程的流场CFD分析程序,通过有效的界面数据传递算法,实现了与结构有限元热分析软件的耦合,形成了基于流场与结构耦合传热的飞行器热环境多场耦合数值分析方法。以典型圆管前缘为计算模型进行了程序验证,并对稳态和非稳态飞行环境下的流场与结构耦合传热特征和规律进行了数值分析研究。结果分析表明,该方法能够有效地刻画流场与结构之间的耦合传热特征和规律,预测和分析飞行器热环境的空间和时间分布特性,从而可为防热设计的选材和优化提供可靠的参考依据和分析手段。     

长时间气动加热飞行器的隔热机理

主要论述长时间气动加热飞行器热防护系统隔热机理的新概念，提出传统的单相固体热传导由于其隔热机制的局限性，已不能解决新型高超声速式飞行器的隔热问题，代之以气-固的辐射-传导-对流复合传热机制。多相复合传热机理可解决长时间气动加热飞行器隔热的问题。     

自适应直角坐标网格方法在耦合传热数值模拟中的应用

首先介绍了耦合传热计算区别于一般的导热和对流换热过程的特点,然后介绍了常用的计算方法应用于耦合传热计算遇到的困难及自适应直角坐标网格方法在耦合传热计算中的优势。最后用两个算例证明了采用自适应直角坐标网格方法数值模拟耦合传热问题是适用的。     

高超声速飞行器热结构设计分析技术研究

综述了国内外高超声速飞行器结构热设计分析技术的进展,探讨了计算气动热力学应用于高超声速飞行器结构设计的能力与局限性的现状,提出并讨论了高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势:(1)高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术;(2)流-热-固多物理场耦合机理模型技术;(3)流-热-固多场耦合计算分析技术;(4)高超声速飞行器热防护结构设计技术。     

SEA与仿真相结合的高超声速巡航飞行器系统效能评估

SEA方法与工程／交战级攻防对抗仿真相结合的效能评估框架,解决了SEA方法的建模问题。本文应用此框架以高超声速巡航飞行器为例研究了其系统效能,框架中基于测度论提出了效能指标,通过对基于HLA的攻防对抗仿真系统的输出测量,达到评估飞行器系统效能的目标,最后以一个简单的战情为应用对象,使用上述评估框架分析高超声速巡航飞行器的系统效能。     

高超声速壁面黏性力快速计算方法

当前高超声速飞行器壁面黏性力的预测方法主要有精确的Novier-Stokes方程CFD方法(计算流体力学)和快速工程计算方法。前者计算精度高,但效率很低;后者效率极高,但精度难以满足工程应用要求。如何将两种方法有效结合,发展具有一定精度且效率也较高的壁面黏性力计算方法,一直是计算空气动力学研究的重要方向之一。为此,本文基于无黏Euler方程CFD方法获得的壁面流场参数,发展了一种更加精确的高超声速飞行器壁面黏性力快速工程计算方法。该方法以经典参考温度法为基础,以壁面当地流场参数替代自由来流参数,更加充分地考虑了高超声速复杂流动的特性,从理论上提高了壁面黏性力的预测精度。为验证该方法的准确性,以典型高超声速高升阻比飞行器外形为研究对象,分别采用精确Navier-Stokes方程CFD方法和本文发展的快速工程计算方法,预测了高空高马赫数飞行环境下飞行器壁面的黏性力;通过对比分析表明,本文所建立的快速计算方法预测偏差为10~20%,能够满足工程初步设计的要求。     

基于ANSYS的金属蜂窝板热性能模拟研究

基于ANSYS有限元方法模拟研究了金属蜂窝板的传热。在与实际的试验条件保持一致的情况下,建立了金属蜂窝板模拟计算模型,研究了金属蜂窝板的稳态热性能、热量传递机制和瞬态表面热响应。在所建立的模型中考虑辐射导热耦合换热,对稳态热性能模拟研究表明模拟结果与Swann&Pittman经验公式计算的结果十分吻合,瞬态表面热响应的模拟结果与试验结果也较吻合,说明ANSYS有限元方法能够准确模拟金属蜂窝板的传热。此外,蜂窝腔表面间的辐射换热是金属蜂窝板的一个重要的热量传递机制,在高温情况下应考虑辐射导热耦合换热。     

可变弯尾飞行器飞行特性研究

本文研究了可变弯尾飞行器的机动飞行问题。可变弯尾飞行器具有气动控制独特、机动范围可调等特点，是高超声速飞行器实现机动飞行的有效途径。本文通过气动力工程计算与飞行器六自由度弹道的耦合计算，研究了此类飞行器在再入过程中的机动控制和飞行稳定性。     

多层高温隔热结构的传热特性

建立了高温多层隔热结构传热计算模型,采用蒙特卡罗方法模拟每个半透明隔热材料层内的一维辐射传递,采用有限体积法对多层隔热结构辐射导热耦合换热能量方程进行求解,对多层隔热结构的瞬态传热及热响应进行了数值模拟分析,研究了反射屏个数等因素的影响.结果表明,反射屏对多层结构隔热性能的影响取决于隔热材料的辐射特性与导热性能,当隔热材料衰减系数小时,将屏布置于高温区可提高隔热性能,当衰减系数大时,反射屏布置在低温区进行蓄热则更加有利.