辐射加热对返回舱气动热环境影响的数值研究

基于高超声速再入飞行器气动热环境预测分析的需要,建立了高温非平衡气体辐射加热对飞行器热环境影响的计算分析手段。采用数值求解化学非平衡N-S方程的方法,对返回舱绕流流场进行模拟,获得高温空气组分质量分数和温度等流场参数分布。基于辐射传输方程,考虑高温气体组分的主要辐射机制,计算分析高温流场气体辐射加热对返回舱热环境的影响。分析表明,在同一飞行弹道条件下,返回舱大底半径尺寸对气动加热的影响较大,在再入热环境严酷区,辐射加热对物面总热流的贡献达30!;产生辐射加热效应的主要机制是高温流场中O和N原子产生连续谱和线状谱以及N2的第一正带系;物面催化效应对辐射加热影响不大。     

电离非平衡粘性激波层低雷诺数钝体绕流

本文从化学非平衡粘性激波层控制方程出发,用数值法计算了高超音速钝体绕流头部区流场(包括驻点线和音速线)。考虑了电离空气的七种主要成份(N_2,O_2,N,O,NO,NO~ ,e~-)以及相互之间的七个化学反应方程式。认为化学反应的速率是有限的,非平衡扩散采用双组元扩散模型。对激波滑移、壁面滑移、完全催化壁和非催化壁等不同的边界条件进行了计算,得到了流场参数和电子密度分布情况,并与有关文献进行了比较。     

小钝头锥无粘平衡、非平衡绕流流场的数值分析

本文给出钝头细长锥无粘、平衡和非平衡高超声速绕流流场的数值分析。对存在化学反应的空气,考虑了13种气体组分和22个化学反应,包括N_2、O_2和NO的振动松弛与离介过程之间的耦合反应。头部亚-跨声速区和后身高超声速区分别用直线法和有限差分法进行计算。在来流条件M_∞=20～26,Re_∞=(p_∞u_∞α)/μ_∞=1.5×10~3～5.5×10~6(α为头部半径)的参数范围内,给出了绕流流场和等离子体鞘层诸特性,如激波形状、电子密度和电子碰撞频率等。     

态-态模型下的O2/O系统热化学非平衡与辐射过程

采用态-态模型,研究包含振动能级跃迁、化学反应和辐射跃迁的O_2/O系统的非平衡过渡过程。对静止的O_2/O气体系统,设定不同的初始条件,突然降温或升温至3000K、10 000K、20 000K后保持等温等容,数值模拟组元质量分数、振动能级分布和辐射特性随时间的演化过程,分析不同条件下各类过程趋近平衡的松弛时间、稳态平衡结果等特征,以及辐射和热化学非平衡过程的相互影响特点。结果表明,态-态模型得到的振动温度趋近平衡值的特点与双温度模型所描述的不同,有时振动温度随时间甚至出现非单调变化的现象,非平衡过渡过程中的振动能级分布也不满足振动温度下的玻尔兹曼分布。本文算例显示出O_2/O系统在高温条件下的非平衡辐射特征,不过辐射跃迁对热化学非平衡过程的影响不明显,非平衡辐射的特征时间达到振动松弛时间的10倍以上。     

探月返回器稀薄气体热化学非平衡特性数值模拟

通过发展直角/非结构混合网格下,适于复杂返回器含内能激发的五组元热化学非平衡稀薄气体直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法,数值模拟了钝体返回器稀薄流区7.5 km/s和10.6km/s再入速度下的非平衡流场特性和对物面气动力/热分布的影响。计算结果表明在月球返回速度下稀薄过渡流区存在着强烈的热化学非平衡,近连续滑移区仅在激波层区域存在着较大的平动、转动和振动非平衡度,而在高稀薄流区,热力学非平衡遍布绕流物体四周,包括整个压缩区和尾迹区。高温真实气体效应对表面热环境影响显著,对表面压力和摩擦力的影响相对较弱。计算结果显示探月返回器再入绕流过程100 km飞行高度仍需要考虑热化学非平衡的影响。     

高超声速再入飞行器头部辐射加热特性研究

高超声速再入飞行器的热环境特性是热防护设计的重要基础。它主要包括辐射加热和对流加热,一般情况辐射加热较小可以忽略,但部分再入飞行器在低空还具有极高的速度,辐射加热不能忽略。本文针对高超声速再入飞行器驻点的辐射加热特性开展了研究,采用高温空气辐射加热的四光谱带模型,同时计算方法中考虑了非平衡辐射加热及其"截断效应"。计算结果表明,在低空高速再入阶段,辐射加热比较明显,热防护设计需要考虑辐射加热。辐射加热主要由可见连续光谱辐射构成,红外线谱和紫外线谱的辐射加热也比较明显,紫外连续谱辐射以及非平衡辐射效应均不明显。辐射加热沿球头驻点至球头外边缘逐渐减小,影响辐射加热的主要因素有头部半径、飞行高度和飞行速度。     

有化学反应的气体的非平衡数值模拟

利用三温度动态模型,对具有化学反应的强正激波后的高温气体的非平衡流动进行了数值模拟,在较宽的马赫数范围内（6～26）,计算出了各种气动参数及气体组分在非平衡区随时间的变化历程,并与有关文献进行了比较。     

高超声速再入飞船气体热辐射计算边界虚网格方法

针对再入飞行器激波层辐射加热,应用有限体积法计算辐射传输方程,引入了一种边界处理方式——虚网格方法,根据化学非平衡流场数据,计算出飞行器表面辐射加热热流。通过分析发现:采用虚网格方法处理辐射传输边界,能够确保真正的边界条件得到应用,满足真实的物理意义,且辐射传输计算的空间网格、立体角网格、初始温度值的收敛性很好,计算结果精度误差小于2.5%。利用虚网格方法计算飞船再入返回时的辐射加热,结果表明计算所得壁面辐射热流与其他研究者辐射热流计算结果符合良好。      

态-态模型下N_2/N混合物的热化学非平衡过程研究

热化学非平衡流模拟中广泛应用的双温度或多温度模型不能描述分子在各振动能级上的分布,只能假设其满足振动温度下的Boltzmann分布。通过采用态-态模型研究非平衡过程中粒子的能级分布特点,有望为改进双温度或多温度模型提供思路。对静止的N2/N气体混合物,在各类不同初始条件和控制温度、压力下,采用态-态模型研究气体的化学组成和分子振动能级分布演化规律,分析各类微观过程的特征与贡献,结果表明:平动-振动能量交换过程起支配作用,促使振动能级分布趋于平动温度下的Boltzmann分布,而振动-振动能量交换过程主要影响能级分布变化的过渡过程特点;离解区和复合区能级分布的变化特点不同;关于非平衡过程中粒子微观分布的研究结果可为改进高超声速非平衡流模拟中的热化学模型提供参考依据。     

平衡气体对乘波体气动力热特性影响

针对乘波体在高空以高马赫数飞行时的特点,给出了一种考虑高温平衡气体效应的乘波体设计方法,并通过数值模拟的方法研究了高空高马赫数飞行条件下高温平衡气体对乘波体气动特性的影响。研究结果表明,相对于完全气体,平衡气体对乘波体的气动力特性影响不大,但对乘波体的前缘驻点区和下表面的热流及辐射平衡温度有较大的影响。另外在乘波体较为适宜的飞行攻角范围内,攻角的增大不会显著改变平衡气体效应对乘波体气动力特性的影响,也不会显著改变平衡气体效应对乘波体前缘驻点区的热流与辐射平衡温度的影响,但却会在一定程度上减小平衡气体效应对乘波体下表面的气动热及辐射平衡温度的影响区域。     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索。风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km／s。实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验。实验结果表明：烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度。     

气体模型对高超声速再入钝体气动参数计算影响的研究

本文采用完全气体模型、振动激发气体模型、平衡气体模型、一温度非平衡气体模型、两温度非平衡气体模型和三温度非平衡气体模型进行了钝体高超声速绕流流场的数值计算。分析了各种气体模型对激波脱体距离、壁面热流、温度分布和密度分布等的影响。结果表明：采用两温度（或三温度）非平衡气体模型计算的激波脱体距离更接近实验情况；采用平衡气体模型计算的壁面热流量高，一温度非平衡气体模型完全非催化的壁面热流最低，而完全气体模型的壁面热流在两者之间。最后给出了各种气体模型的密度等值线比较图。     

存在烧蚀的高超声速压缩拐角流动数值研究

耦合求解热化学非平衡流控制方程和烧蚀壁面边界条件,进行存在石墨烧蚀的压缩拐角流场数值模拟。流场化学反应采用16组元(N2,O 2,NO,N,O,NO +,N+2,O +,N+,CO,CO 2,C,C2,C3,CN,e-)29个反应的非平衡模型,热力非平衡的双温度模型下,不同反应采用不同控制温度。石墨材料表面反应包括碳的氧化反应、碳催化的O 原子复合反应和碳的升华反应。对15°、18°、24°压缩拐角模型,在自由流 Ma =10~30,总焓值6~55 MJ/kg 范围,分别进行无烧蚀的壁面催化与非催化条件和石墨烧蚀条件下的流场计算,分析各类条件下的流场结构、流动分离特性以及流场热化学参数分布特点,研究壁面条件对流动特性的影响。结果表明：流动分离可能性和分离区范围随着压缩拐角斜面倾角增大而增大,随来流马赫数增大而减小;相对于低壁温条件,无烧蚀的辐射平衡壁温和壁面烧蚀条件下流动分离区增大,斜面上压力、摩阻和热流峰值点也有所后移。     

Prediction of shock-layer ultraviolet radiation for hypersonic vehicles in near space

A systemic and validated model was developed to predict ultraviolet spectra features from the shock layer of near-space hypersonic vehicles in the ‘‘solar blind" band region. Computational procedures were performed with 7-species thermal non-equilibrium fluid mechanics, finite rate chemistry, and radiation calculations. The thermal non-equilibrium flow field was calculated with a two-temperature model by the finite volume technique and verified against the bow-shock ultra-violet(BSUV) flight experiments. The absorption coefficient of the mixture gases was evaluated with a line-by-line method and validated through laboratory shock tube measurements. Using the line of sight(LOS) method, radiation was calculated from three BSUV flights at altitudes of 38,53.5 and 71 km. The investigation focused on the level and structure of ultraviolet spectra radiated from a NO band system in wavelengths of 200–400 nm. Results predicted by the current model show qualitative spatial agreement with the measured data. At a velocity of 3.5 km/s(about Mach11), the peak absolute intensity at an altitude of 38 km is two orders of magnitude higher than that at 53.5 km. Under the same flight conditions, the spectra structures have quite a similar distribution at different viewing angles. The present computational model performs well in the prediction of the ultraviolet spectra emitted from the shock layer and will contribute to the investigation and analysis of radiative features of hypersonic vehicles in near space.     

姿控发动机羽流的可见光/近红外特性

为了研究发动机羽流辐射特性对光学探测成像的影响,基于不同直径粒子散射理论、辐射传递方程和分子吸收线数据库,应用有限体积法,建立了火箭发动机羽流在不同波段的辐射特性计算程序.针对实际工作情况进行建模,开展某姿控发动机工作在环月球轨道时的可见及近红外波段羽流的辐射特性计算.在0.4~0.9μm波长范围内,针对羽流气体组分、波长、观察天顶角以及太阳辐射对羽流光谱的影响作了数值计算及分析.研究结果表明:应用有限体积法开发的程序较好地模拟火箭发动机羽流的辐射特性,并具有广泛适用性;在可见光和近红外波段,太阳辐射作用对火箭发动机喷流辐射特性影响最大.      

多弧离子镀Cr/Cr2O3薄膜红外及可见光谱特性

采用多弧离子镀制备了具有不同色彩的Cr/Cr2O3薄膜,利用紫外-可见光分光光度计研究了薄膜在可见和红外波段的光谱特性,利用SEM进行薄膜表面结构和形貌的分析,利用四探针测阻仪测试了样品的方块电阻,利用红外发射率测量仪测试了样品的红外发射率。结果表明:Cr/Cr2O3薄膜具有丰富的色彩,在可见光区有明显的反射峰,可见光区光谱特性主要受膜厚的影响,方块电阻随膜厚增加而有变大,样品的红外发射率主要取决于金属层,平均红外发射率最小降至0.371。     

激波管高温空气绝对辐射功率实验测量

利用激波管加热技术,得到1000K～3000K温度范围内的高温空气,利用宽波段能量计、光电探测器以及滤波片等设备,测量出高温空气在0.3μm～9μm宽波段范围内绝对辐射功率,以及中心波长在4.26μm、5.23μm、8.32μm处、单位波长的绝对辐射功率;实验结果表明,在1000K～2000K温度范围内,高温空气宽波段的辐射功率约为60 W/cm~3·MP,且辐射主要集中在21μm～8μm波段范围内;当温度高于2000K以上,辐射功率随着温度的升高增大较快,且辐射向紫外、可见方向移动;在3000K时,高温空气在0.3μm～9μm宽波段范围内的辐射功率约为150W/(cm~3·MP).     

锥体高超声速尾流辐射特性

应用显式有限差分法求解了轴对称尾流边界层方程,求出高超声速锥体尾流化学非平衡流场。在求得温度、速度、密度和粒子浓度场的二维分布的同时,详细求解尾流中各种粒子的辐射强度和辐射量的二维分布。     

再入目标红外特性分析及红外特性材料研究

本文分析了再入目标的红外辐射特性及主要影响因素，认为：表征再入目标辐射强弱的物理量主要为再入目标的表面温度、表面积和发射率；表征再入目标材料红外辐射能力的物理量为辐射率（发射率）。进而探讨了高红外发射率材料，认为：几种化合物混合烧结后可在一段连续波段提高材料的红外发射率。     

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。