高超声速升力体气动力气动热数值计算

升力体气动布局，由于其良好的高超声速气动特性、有效的内部空间和有益的防热特性，越来越受到气动工作者的重视，本文应用张涵信院士的NND格式思想，用数值模拟的方法对类似于美国X－33的升力体外形进行了气动力、气动热研究。特别是在粘性项的离散和表面热流率的计算中应用了散度和梯度的积分定义，避免了数值计算的奇异性，保证了通量守恒，提高了计算效率。结果表明气动热计算结果与美国同类飞行器结果接近，驻点热流率与经典理论结果一致。     

高分辨率有限差分—有限元混合方法及其在气动热计算中的应用

在文献［１］结合ＮＮＤ格式思想＾［２］提出的有限元格式基础上，给出一种有限差分－有限元混合方法。通过求解完全Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，得到了高超声速情况下钝头体轴对称绕流的较满意结果，同时讨论了网格Ｒｅ数对驻点热流的影响。     

基于积分法的热流后处理方法

傅立叶定律统计热流时的扰动放大机制和数值计算格式的数值耗散是壁面热流网格依赖性强的主要原因,扰动放大机制同时也是热流收敛速度慢的主要原因。对边界层特征明显的流动的N-S方程数值求解,提出了积分法热流计算方法,热流由傅立叶定律统计的热流项和粘性功两项组成。平板层流、钝锥绕流气动加热算例表明计算结果的网格依赖性明显降低,收敛速度加快,为提高热流计算的可靠性和计算效率提供了一条新的思路。     

高速自旋飞行体的气动加热特性

一种典型的弹箭类高速自旋飞行体为例,选取目标在超声速、跨声速、亚声速飞行状态下的弹道计算数据作为来流条件,结合滑移网格和多坐标系法,采用基于密度的耦合隐式算法、Roe-FDS(flux difference splitting)通量格式和SST(shear stress transfer) k -ω湍流模型,对飞行体的外流场进行了热流模拟研究。重点分析了目标在高速自旋飞行条件下的壁面压力、温度、气流密度、热流率、湍流动能等变化规律,并与不考虑飞行体高速自旋的流场进行了对比研究。研究结果表明:在高速自旋飞行条件下,飞行体表面的流线相互干扰,贴壁气流对飞行体产生的扰动更加剧烈,飞行体尾部的气流集聚效应明显,湍流发展与演化过程更加复杂,飞行体壁面的气流速度、压力、温度、热流率均高于无转速飞行情况,尤其在超声速飞行条件下的差异显著。     

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。     

大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计

针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。     

火星大气高温光谱建模与非平衡辐射热流预测

火星科学实验室成功着陆后的热环境重构数据表明，气动辐射加热在火星进入防热设计中具有不同于以往认识的重要影响，未知机制和模型不确定性等问题有待进一步研究。探测器高速进入火星大气产生极高温非平衡气动环境，造成火星气动辐射与常规CO₂红外辐射研究显著不同。针对火星大气高温光谱和辐射热流预测，首先，建立适用于火星大气的高温非平衡光谱辐射模型，获得典型高温条件CO₂光谱结构和辐射强度，与NASA和JAXA试验结果对比，结果显示符合较好。其次，依靠激波管和发射光谱测量技术，开展典型进入条件的辐射强度测量试验，数值结果、试验值和NASA试验结果相互符合较好，验证了光谱模型。最后，对探路者号进行气动辐射加热分析，完成典型进入条件下的非平衡流动和辐射特性计算，基于光线法得到光谱辐射强度沿驻点线的变化，表明高速与低速条件的气动辐射机制存在显著差异；基于有限体积法获得进入器表面辐射热流分布，结果显示辐射热流的分布及变化规律与地球再入显著不同，进入速度6 km/s以下时辐射热流随进入速度增加而减小，同时进入器锥身及肩部的辐射热流高于驻点区域。     

稀薄流航天器鼻锥迎风凹腔气动力和气动热性能研究

本文采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对高超声速稀薄流中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了数值研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响;以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,高超声速稀薄流中迎风凹腔能够降低鼻锥外壁面的热流密度;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。     

来流条件对热流组分扩散项影响效应分析

使用数值模拟的方法研究了高超声速热化学非平衡流动中不同来流条件对热流组分扩散项的影响。以RAM-CII飞行试验外形为例,使用AUSM+-up格式耦合LU-SGS方法求解带化学反应源项的多组分NS方程。得到如下结论:在非平衡热环境数值模拟研究中,完全催化壁时组分扩散项热流所占比率表征了壁面催化效应的强弱;在同一高度下,随着马赫数升高热流组分扩散项比例越来越显著,而马赫数相同时,随着高度增高热流组分扩散项所占比例越来越小,主要原因在于当地化学反应进行程度不同。     

气动加热下光学窗口传热特性的数值模拟

针对气动加热条件下光学窗口辐射导热耦合传热开展研究,以了解光学窗口的热辐射发射规律及热防护性能。采用有限体积法、蒙特卡罗法、谱带模型建立了具有镜反射界面的光学窗口辐射传输及辐射导热耦合传热计算模型,对具有两层SiO2玻璃的光学窗口传热特性进行了模拟。结果表明处于高温区玻璃向外发射热辐射,低温区玻璃吸收热辐射;除了加热面附近外的玻璃区域,辐射热流密度远大于导热热流密度,在2.9～4.2μm谱带内的辐射热流密度大于0.4～2.9μm谱带内的;在0.4～2.9μm谱带内,可见光波长内的出射辐射热流密度最小,中红外波长范围内出射辐射热流密度最大。在光学窗口总厚度一定的情况下,降低玻璃层厚度和玻璃夹层气体热导率能够有效降低光学窗口非加热面稳态温度。     

典型尖楔结构燃气流热试验工况确定方法

在传统冷壁热流模拟方法的基础上,进一步提出以热壁温度及热流密度的时序变化曲线为控制目标的燃气流热试验工况确定方法,即利用壁温控制目标与实测值的偏差对热壁热流控制目标做一定修正,以尽可能消除和弥补前期试验误差,同时利用300K冷壁边界热流密度数据库插值迭代方法,快速确定一定气动热模拟所需燃气流温度,解决了沿飞行轨迹瞬态热试验技术难题之一。利用CFD数值模拟方法,建立了典型尖楔结构高/中温双路燃气流组合热试验300K冷壁边界热流密度数据库,并针对典型尖楔结构沿某飞行轨迹9个典型状态气动热模拟需求,确定相应双路燃气流热模拟参数。相关数值计算结果显示,驻点区域热流密度平均模拟偏差为4.5%,平板区热流密度平均模拟偏差为4.6%,两者最大模拟偏差均不大于8%,满足工程试验精度要求。同时,瞬态热分析结果显示第45s时,距驻点1mm处最大温度梯度达到21K/mm,距驻点10.1mm处最大温度梯度达到18K/mm,满足气动热大温度梯度效应需求。      

基于径向基神经网络的气动热预测代理模型

为快速获取高超声速飞行器表面热流数据并缩短飞行器气动热设计周期,提出了一种基于径向基神经网络的气动热快速预测代理模型方法。首先,在飞行器表面每一个离散化的网格节点单独构造一种正则化的径向基神经网络。随后,通过训练集对所有网络同时进行训练,获得各自网络的连接权值。最后,所有网格节点的神经网络协同预测飞行器表面不同位置的热流。对NASA火星实验室的椭圆钝化高超声速飞行器的应用表明,所提出的代理模型方法在模型训练完成后能够快速进行飞行器表面热流预测,并且模型具有良好的泛化能力,在驻点及迎风大面积区域热流预测结果与数值模拟的偏差在10%以内。     

侧向喷流对导弹方向舵局部气动热特性的影响

为探索侧向喷流流动控制技术对高速导弹方向舵局部气动热特性的影响规律及相关机理，对带有方向舵和舵轴的导弹在不同攻角和喷流条件下进行了数值模拟，得到了模型流场和壁面热流分布。研究结果表明：喷流压比达到75时，可以避免受弓形激波干扰的来流气体作用在方向舵上，能有效减少方向舵前缘中后段的壁面热流；随着喷口位置与方向舵前缘距离的增加，喷流后回流区结构和范围变化不明显，方向舵前缘的壁面热流变化不大；不同攻角来流条件下，侧向喷流均能有效降低方向舵前缘的壁面热流。攻角大于10°后，喷流的热防护效果有所降低；有攻角来流条件下，在舵轴的正前方喷流，自由来流绕喷流流动，舵轴下壁面边界层内气体密度上升，使舵轴两侧压差增大，舵轴的壁面热流增大；在0°攻角来流条件下，喷口两侧方向舵所受侧向力与喷流推力方向相反，此时导弹的放大因子增大。     

一种数据驱动的气动热预示模型

高效、高精度的气动热预示是高超声速飞行器设计的关键。然而，随着高超声速飞行器外形的日益复杂化和设计周期的不断缩紧，现有方法已很难满足高效精准的气动热预示。本文基于边界层理论和支持向量机发展了一种数据驱动的当地化气动热预示建模方法。首先，通过求解Euler方程获得边界层外缘信息，采用RANS方法计算热流分布样本；然后，通过设计的特征选择方法确定边界层外缘特征；最后，利用支持向量机构建气动热预示模型，实现边界层外缘特征与壁面热流的映射。对双椭球和二级压缩面的热流预示结果表明，该模型考虑了非均匀分布壁面温度等边界条件，具有较高的预示精度和良好的外推与泛化性能，典型位置热流预示结果和RANS计算结果的相对误差均小于5%。同时，以双椭球上表面中心线热流预示为例，对比传统POD降阶方法，发现该模型的预示精度更高，外推状态下预示精度较POD方法提升了4倍以上。     

高超声速飞行器瞬态热试验

为了进行高超声速飞行器热防护系统的初步设计和数值计算的验证,设计开发了高超声速飞行器瞬态气动加热地面试验系统及其控制软件.试验系统能够根据飞行器的飞行轨迹和外形参数加载瞬态热流,实时测出结构表面的热流值和温度,得到飞行器的表面试验热流曲线和温度曲线.试验系统采用真空舱模拟飞行环境,并为此设计了冷却床,在真空环境下能比较真实的模拟热防护系统的下表面热环境,使瞬态热试验的原理更加合理,精度进一步提高.      

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Ｄｕｎｎ－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     

气动热数值模拟中壁面热流后处理方法

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果也会有较大差异,且表现出不同的网格依赖性.微分法对网格的依赖性较大,单纯提高差分精度不一定能够减弱网格依赖性和提高计算精度,还与近壁处网格分布密切相关;积分法从能量平衡积分方程出发,极大地减弱了网格依赖性,具有较高的计算精度.所提出方法具有与积分法相当的网格依赖性和计算精度,尤其在驻点区域,其网格依赖性更弱于积分法,且计算简单,提高了计算效率.      

再入飞行器鼻锥逆向喷流对流场及气动热的影响

 使用计算流体力学（CFD）方法研究逆向喷流热防护系统对降低再入飞行器鼻锥物面热流的效果,获得了流场参数,回流再附点位置,物面压力分布以及热流分布。分析了逆向喷流对降低物面热流的物理机理,喷流通过与来流相互作用形成马赫盘,将来流导流到四周,不与物面直接作用形成气动加热,同时喷流回流形成低温区,降低物面与接触气体的温差,进而降低了物面热流。随着总压比率增大,这种效果越明显,气动加热越轻。为更合理分析喷流强度对流场及传热量的影响,将总压比率和流量相结合,提出了新的参数R PA。分析该参数的应用效果,结果发现不同的流量与总压比率组合成相同的参数R PA,可以实现相同的激波位置、再附点位置、表面热流峰值位置和总传热量。这说明该参数可用于表征喷流强度,用以分析喷流对流场及传热量的影响。     

高超声速前缘空腔数值模拟研究

介绍了一种前缘空腔高超声速被动流动控制方法并将其应用于轴对称钝锥外形,采用高分辨率的CFD数值模拟方法对不同参数的前缘空腔外形进行了对比研究,阐述了高超声速前缘空腔降低前缘壁面热流的机理,总结了不同空腔参数对空腔外形气动力、热的影响规律。结果表明,合理设计空腔参数可以使空腔外形的前缘壁面热流有较大程度的降低,并且不影响外形的升阻比等气动特性。     

尖楔结构低速高/中温双路气流组合热试验方法

在典型高超声速飞行工况下,数值模拟分析了高温合金尖楔前缘结构沿气流方向大温度分布梯度将带来严重的热强度问题,产生大温度分布梯度的根本原因是尖楔结构头部区域平均热流密度与后段平板区域平均热流密度之差,而受头部区域热流密度具体分布的影响不大;进而提出了一种低速高/中温双路气流组合热试验方案,并通过数值模拟方法证明了该方案具有两股气流参数可以独立调节分别满足尖楔结构头部驻点区域及后段平板区域大、小两种热流密度的优点,进而解决单喷口低速高温燃气流热模拟试验难题,满足尖楔结构高超声速飞行工况下大温度梯度模拟要求.同时,该方案通过高/中温气源的合理组合搭配可以大大降低尖楔结构热试验所需高温气源发生功率,推广应用于电弧风洞可拓展其热试验范围.