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。     

发动机高速排气系统红外辐射特性的数值计算和分析

本文以排气系统三维流场数值计算为基础,采用了封闭腔理论算法及波带透过率计算模型,通过求解耗散-发射性介质中的辐射传输方程的方法,对发动机高速排气系统的热空腔辐射、喷气流辐射及热空腔-喷气流组合辐射进行了数值计算,并将计算结果与发动机实测结果进行了分析比较。研究结果表明,红外辐射的计算值与实测值相比,误差不大于30%,且其空间分布基本一致。所开发的计算方法与程序可用于排气系统红外辐射特性的数值计算与分析,基本满足工程设计的需要。     

航空发动机排气系统红外辐射特征数值计算研究

基于N—S方程,建立了某型发动机排气系统的数值计算模型;利用辐射传输方程（RTE）积分法所编制的红外辐射特征计算程序,计算了该发动机在地面工作状态下的红外辐射特征分布;在加力状态下,考虑了soot粒子的光谱吸收与发射。分析了水蒸气、二氧化碳、一氧化氮和一氧化碳气体介质的红外光谱吸收与发射,并考虑了红外辐射在大气中的传输,最后给出了在3.0～5．0μm波段内排气系统的红外辐射强度分布。     

涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统红外辐射特征的对比

用数值模拟的方法对比研究了涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件进行模拟,红外辐射特征采用根据反向蒙特卡洛法自主开发的软件进行计算,计算分析了两种排气系统在3~5μm波段红外辐射的空间分布以及喷管内不同固体部件在探测方向上的辐射贡献.在红外辐射特征计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射以及燃气组分二氧化碳、水和一氧化碳的吸收-发射等影响.结果表明:两种排气系统红外辐射的空间分布特性不同;混合排气喷管的积分辐射强度在方位角为0°~10°时大于分开排气喷管,在其他方位角范围内均小于分开排气喷管.      

发动机排气系统及尾喷流的流场和红外特征数值模拟

建立了发动机排气系统及尾喷流的内外流一体化流场数值模拟计算模型,得到了发动机排气系统及尾喷流的流场.然后采用辐射传递方程(RTE)积分法研究了发动机排气系统及尾喷流的红外辐射特征,开发了相应的红外辐射特征计算源程序.程序可以计算加力和非加力两种状态下的红外光谱辐射特征,在加力状态下主要增加考虑了soot粒子的光谱吸收与发射.气体介质考虑了水蒸气、二氧化碳、一氧化碳和一氧化氮的红外光谱吸收与发射.最后给出了在光谱3～5 μm范围内,某发动机在高空飞行时其排气系统及尾喷流在加力和非加力状态下的红外辐射特征的模拟结果.      

用可变扩散湍流模型研究轴对称排气系统红外辐射特性

为研究可变扩散湍流模型在排气系统红外辐射特性计算中的适用性,计算了轴对称亚声速喷管在3 ～5μm波段的空腔-喷流组合红外辐射特性.喷管流场及温度场采用有限体积法求解N-S方程,湍流模型采用标准k-ε模型和可变扩散模型.红外特性计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程,并考虑大气衰减作用.计算结果与试验对比表明,与标准k-ε模型相比,可变扩散湍流模型能够有效改善亚声速热喷流的核心区长度,从而获得与试验结果一致的红外辐射强度,说明可变扩散湍流模型适用于精确模拟轴对称排气系统的红外辐射特性.     

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。     

氢氧火箭发动机羽烟紫外辐射参数反演研究

针对氢氧火箭发动机羽烟紫外辐射特性参数分析,提出一种基于紫外CCD(change coupled device)相机采集的单幅辐射图像,同时反演羽烟内紫外辐射源项和吸收系数的方法.该方法将羽烟简化为发射-吸收轴对称介质,通过对辐射图像数据进行Able变换得到三维介质内辐射强度分布,利用最小二乘法将反演问题转化为使计算得到的与Abel变换得到的辐射强度误差最小的最优化问题,然后利用共轭梯度法求解该最优化问题.通过在求解正问题得到的准确值的基础上添加随机噪声,模拟辐射图像数据,分析了测量误差对算法反演精度的影响.结果表明:该算法对测量误差不敏感,能够准确的重建羽烟内的辐射源项和吸收系数分布.      

类乘波体防热壁板气动加热-温度场耦合特性分析

针对类乘波体防热壁板,采用松耦合算法推进气动热和传热迭代计算,研究气动加热-温度场的耦合特性.结果表明:在壁板达到辐射平衡前,冷壁热流和辐射平衡热流与真实气动加热的误差分别达+55.1%和-15.4%以上,必须将气动加热和温度场进行耦合分析;当地绝热壁面温度不随时间变化,表面传热系数是耦合效应的关键参数;采用平均表面传热系数进行瞬态气动加热-温度场耦合计算只进行2次气动加热计算,壁面温度预测误差在2.5%以内,可有效提高气动加热-温度场耦合计算的效率.      

发动机背负式安装无人机的排气系统红外特征的计算研究

用数值模拟的方法研究了对发动机背负式安装的无人机排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件计算,红外辐射特征采用根据离散传递法自行发展的程序进行计算,研究了排气系统在3～5μm波段红外辐射强度的空间分布.在红外辐射计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射、燃气组分CO₂、H₂O和CO的吸收-发射、后机身结构的遮挡以及大气吸收等影响.结果表明:通过发动机的背负式安装、尾喷口的下遮挡设计及其相对机身的内缩可使排气系统在下半球的红外辐射强度明显降低,但由此也造成了上半球的辐射强度有所增强;大气对该无人机排气系统前半球红外辐射的吸收明显强于后半球.      

用Tam-Ganesan湍流模型研究排气系统红外辐射特性

通过三维流场、介质的质量浓度场与辐射场耦合求解方法,计算了1台有中心锥的轴对称喷管的空腔-喷流组合红外辐射特性.利用专门为自由剪切流动发展的Tam-Ganesan湍流模型,有效提高排气系统红外辐射模拟精度.采用有限体积法(FVM)结合窄带模型(NBM)计算了排气系统在3~5μm波段的辐射传输问题,并考虑大气衰减作用.对比了采用标准 k - ε 模型和Tam-Ganesan模型对排气系统核心区长度的影响,以及由此引起的排气系统红外辐射特性的变化.通过与试验数据对比证明了该结果的准确性,结果表明选择合适的湍流模型对计算排气系统红外辐射特性有重要的意义.      

Infrared radiation simulation of exhaust system by coupling FVM with narrow band k-distribution

A three-dimensional infrared radiation code for exhaust system was developed by the finite volume method coupled with narrow band k-distribution in non-gray absorbing-emitting media. The final infrared signature had considered the atmosphere effect, and the simulation values were favorably consistent with testing ones. The results indicate that the relative errors considering the effect of atmosphere compared with that of the contrary condition reduce by 31%, it shows that when simulating the infrared radiation of the target which is received by the infrared detectors, even the calculation band is in atmospheric windows 3~5 μm, the effect of atmospheric transmission on infrared signature of the target should not be neglected.      

基于有限元的斜撑结构分析

运用有限元分析软件建立斜撑的有限元模型,根据危险工况的分析,选择端面受集中力的作用,获取了斜撑的受力和变形情况,证明了钢材的许用应力,其结果是真实的,此结构是安全的。     

用温度修正的k-ε模型研究排气系统红外辐射特性

为研究温度修正的k-ε湍流模型对排气系统红外辐射特性计算精度的改善程度,计算了某轴对称收敛喷管在3~5μm波段的空腔-喷流组合红外辐射特性,并与试验结果对比.喷管流场及温度场采用有限体积法(FVM)求解Navier-Stokes(N-S)方程得到,湍流模型分别采用标准k-ε模型和温度修正的k-ε模型.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程,并考虑大气衰减作用.计算结果表明:温度修正的k-ε模型可有效预测排气系统热喷流的核心区长度,从而获得与试验结果一致的红外辐射强度.与标准k-ε模型相比,采用温度修正的k-ε模型计算得到的红外辐射强度的最大相对误差由64%降至了4.3%,说明温度修正的k-ε模型适用于精确模拟排气系统的红外辐射特性.      

基于MarC的混合陶瓷角接触球轴承的接触分析

基于一典型的混合陶瓷角接触球轴承,着重介绍了通过在Marc平台上如何建立合理的角接触球轴承的有限元分析模型;在对有限元模型的静力分析后,得到了混合陶瓷角接触球轴承的接触应力、应变分布和其他相关的初步有限元分析结果;针对有限元分析得出的结果,与经典弹性力学接触理论结果进行了对比,分析出可能导致两种方法不同计算结果的原因。     

减速器传动齿轮轴的有限元分析

应用弹性力学有限元法，对某二级减速器传动齿轮轴进行强度分析，得到齿轮轴上的应力、应变分布及变形，为齿轮轴的结构设计提供了分析依据。     

飞机液压管路支撑的有限元建模方式对应力分析的影响

在飞机典型液压导管不同构型和负载模式下,做了应力试验测量,得到应力试验的数据,并在有限元环境MSC.PATRAN中,针对导管的不同构型建立有限元分析模型,对每种构型下支架与卡箍采用八种不同的简化方式,得到仿真结果。然后将不同简化方式的仿真结果与试验结果作对比分析,考虑不同因素(如支架刚度、卡箍橡胶刚度、导管与橡胶间的摩擦与滑动等)对分析结果的影响,找到了在工程上简单易行,精度上可以接受的支撑简化方法。     

涡轮构件疲劳/蠕变寿命的试验方法

根据弹用发动机涡轮构件的真实工况,通过有限元分析确定试验寿命考核点,提出并设计了一套加载方案,模拟了工作条件下结构的应力场和温度场,构件的试验寿命、断裂部位与有限元预测结果一致。试验结果表明提出的小结构大载荷、小空间高温度的试验方法可以很好地再现涡轮构件的疲劳/蠕变故障,为发动机构件的寿命评定提供了依据。     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。