金属热防护系统设计的有限元分析

对可重复使用运载飞行器金属热防护系统进行了有限元分析,计算发现超耐热合金防热结构中下层蜂窝夹芯板的存在会增加结构的质量,但是并不会提高绝热性能,因此改进型防热系统取代了超耐热合金防热系统。比较分析了板间缝隙宽度和辐射率对防热结构底部最大温度的影响,表明减小板间缝隙是消除缝隙辐射的最好办法。分析了模拟条件对热防护系统尺寸设计的影响:初始温度为0℃时比为40℃时最大可以减少17%的厚度和7.7%的质量;考虑热损失厚度最小可以降低26%,质量最小可以降低7%。     

热防护系统高温纤维隔热毡传热及有效热导率分析

针对重复使用运载器热防护系统纤维隔热毡内部导热和辐射的耦合换热问题进行了分析,应用有限差分法建立了纤维隔热毡的数值分析模型.通过数值求解传热方程,计算了稳态的有效热导率.计算结果表明辐射和气体传导是纤维隔热毡内的主要传热方式,辐射作用随压力和试样密度的增加而降低,在试样温度高的一侧辐射是主要的传热方式,而在温度低的一侧气体传导为主要的传热方式;试样的有效热导率随纤维的平均直径、压力和温差的增加而增加,随试样密度的增加而降低.本文的计算结果与文献中的实验结果吻合较好,可以为纤维隔热毡及热防护系统的优化设计提供理论参考.     

重复使用飞行器金属热防护系统的有限元分析与设计

金属基热防护系统具有轻质、耐用、可操作性、成本高效等特点,是实现降低重复使用飞行器费用的一个关键技术。通过比较分析超耐热合金防热板和改进型防热板,给出了金属热防护系统的各个部分的设计准则。建立了蜂窝夹芯板和纤维隔热毡的有效热导率的数值预报模型,算例研究表明本文给出的数值预报方法正确。使用二维热分析模型和三维承载分析模型,实现了传热和承载分析的迭代计算,算例表明迭代方法有效、可行,可用于可重复使用飞行器金属热防护系统的分析与评价。     

金属热防护系统材料与结构研究进展

简要综述了金属热防护系统的国外研究进展，重点介绍了美国高温合金热防护系统材料与结构以及钛合金热防护材料与结构的研究概况，并对国内情况作了一些简介。指出金属热防护系统是下一代重复使用运载器大面积表面热防护的第一方案。     

高速飞行器热防护技术概述

热防护系统是保护高速飞行器不受气动加热影响的主要手段，是高速飞行器不可或缺的重要组成部分。概括介绍了高速飞行器热防护系统的类型，主要包括五种类型的热防护结构和五种类型的热防护材料。对作用于高速飞行器热防护系统的多种因素进行了分析，阐明了高速飞行器热防护技术的发展方向。     

再入钝锥体烧蚀热防护内部热响应的数值仿真

研究了烧蚀热防护系统内部热响应的计算模型和计算方法.采用碳化层-热解面-原始材料层模型,建立碳基材料内部热响应物理模型和数学模型,利用有限元法分析和计算再入目标热防护系统轴对称内部热响应.着重研究和分析了轴对称烧蚀过程中热解气体质量流率计算方法和传热机制.将热解气体与碳化层之间的对流换热处理为源项,通过保证刚度矩阵和形函数矩阵的正定对称性可以加速温度场计算收敛.计算表明:热解气体的质量流量主要由厚度方向构成,占80%以上;头部驻点附近最大烧蚀厚度接近10mm,需要采用抗烧蚀能力强的碳-碳材料,身部烧蚀量小于2mm,可以采用密度较小的碳-酚醛材料.      

金属热防护系统的发展

介绍了国外用于高超音速飞行器上的金属热防护系统的发展历程，以及先进金属热防护系统的研究状况，并阐述了金属热防护系统的发展方向。     

新型一体化热防护系统热力分析与试验研究

高速飞行器对结构效率的苛刻要求使得热防护系统不断趋于向轻质化、集成化方向发展,新型的力热耦合一体化热防护系统(ITPS)极具发展潜力.首先阐释了一种新型一体化热防护方案的概念与特点,总结了一体化结构设计的基本原则,数值分析了结构参数对背面温度响应、屈曲临界载荷的影响,结果表明腹板厚度对背面温度以及屈曲临界载荷的影响最大.然后设计并加工制备了ITPS的面板与单胞试验样件,分别展开了800℃的高温防隔热性能试验考核和屈曲性能的力学试验研究;试验表明腹板结构是引发热短路效应和屈曲的关键因素,屈曲试验与模拟结果吻合,高温屈曲分析表明温度梯度对屈曲特征有较大影响.     

金属蜂窝夹芯板瞬态热性能的计算与试验分析

 掌握热防护系统(TPS)中热结构超合金蜂窝面板在热环境下的传热隔热特性,是飞行器防热结构设计的先决条件。从镍基高温变形合金蜂窝板隔热试验出发,结合蜂窝板的试验和实际使用环境下的对流换热理论分析,建立了考虑夹芯的辐射、传导和对流传热形式的蜂窝面板的瞬态传热数值计算模型,得出镍基合金蜂窝板在高温下的防热特性。通过与试验结果进行对比,分析了试验误差和不同环境间的修正。讨论了部分蜂窝板设计参数对隔热效果的影响,得到了不同材料常数和蜂窝芯壁厚对隔热效果的影响规律。     

可重复使用飞行器热防护系统辐射-传导复合传热分析

针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂辐射-传导传热问题,采用有限元方法并结合仿真软件ANSYS的参数化分析语言APDL,对可重复使用飞行器热防护系统进行参数化求解,模拟再入条件下热防护系统内部辐射和传导复合换热,预测内部瞬态温度响应。通过与试验数据的对比,验证了方法的有效性,并利用此方法对金属热防护系统进行热分析和质量优化。     

冰脱落对电热除冰传热特性的影响研究

冰脱落对电热除冰传热特性的影响是电热除冰过程中的重要特征.采用有限体积法和混合网格技术,基于热焓方法将传统的相变传热模型应用到电热除冰计算中,研究了冰脱落对电热除冰传热特性的影响,主要研究了加热模式和加热单元间隔对除冰结构传热特性的影响.研究发现:无间隔除冰单元是有间隔除冰单元的特殊情况,其蒙皮表面温度历程在本质上是一致的.冰脱落后,无间隔除冰单元蒙皮表面温度开始剧烈上升然后逐渐缓慢上升.而对于有间隔除冰单元,随着间隔上加热功率的降低,温升过程逐渐缓和.单元间隔的加热功率降低到一定程度时,表面温度出现温降过程.当传递到蒙皮表面的热量和对流换热带走的热量差逐渐趋于稳定时,表面温度又开始逐渐稳定的上升.     

高温圆管内多孔介质耦合换热的辐射作用

通过数值模拟圆管内填充多孔介质的辐射对流耦合换热,研究高温固体骨架辐射效应对温度分布及换热的影响.基于局部非热平衡模型分别建立流体和固相能量方程,采用蒙特卡罗法求解固体骨架的辐射换热;对不考虑热辐射引起的温度场偏差和管壁发射率以及多孔结构参数的影响进行讨论.结果表明:多孔固体骨架的辐射效应对入口段温度场的影响明显,不考虑辐射将导致较大偏差,壁温为1500K时最大偏差为16%.管壁发射率对温度场影响较小,壁温为1500K时影响小于3%.孔隙率或孔径增大,壁面辐射热流密度比例增加,辐射效应体现明显.      

气冷涡轮叶片三维换热问题计算

建立了三维气冷涡轮叶片换热计算的热-流耦合计算模型, 将辐射热量作为源项加入到方程中, 采用热-流耦合方法完成了某气冷涡轮叶片带辐射的三维换热计算.辐射热量的计算采用了P-1辐射模型, 比较了计算辐射和不计辐射时叶片表面的温度值及温度分布的差异.计算表明对于1600 K这样的高温燃气, 辐射热量不可忽略, 考虑辐射热量后, 叶片温度明显升高, 温度分布也产生了显著差异.      

敷设热障涂层气冷叶片温度分布数值研究

针对一种内冷通道射流腔交替布置在压力面和吸力面的叶片冷却结构,利用FLUENT软件对敷设热障涂层的气冷叶片温度分布进行了三维共轭传热计算,分析了热障涂层厚度对叶片金属基体表面温降水平的影响,同时对比了有/无考虑燃气与叶片表面辐射换热的叶片表面温度分布差异.研究结果表明:在叶栅通道燃气流进口总温为1600K、冷却气流进口总温为700K的条件下,当冷却气流与主流流量之比约为7.47%、热障涂层厚度为0.2mm时,该叶片冷却结构的最高温度可以控制在1100K以内;在假设热障涂层表面发射率与金属壁面发射率相同的前提下,厚度0.15~0.35mm的热障涂层可获得的最大降温大约在80~180K范围内;考虑/不考虑辐射换热的叶片表面最大温差可以达到60K.      

气氧/甲烷涡流冷壁燃烧室流场与壁面耦合传热分析

针对涡流燃烧室的试验模型,耦合计算了其中的燃烧、流动和传热过程。湍流模型采用RNG k-ε两方程模型,辐射传热采用P1辐射模型,化学反应采用有限速率模型。数值模拟了涡流燃烧室在20s内的传热过程,得到了燃烧室和喷管的壁面温度分布随时间的变化。燃烧室侧壁面和头部温度在4秒内就达到较稳定状态,在涡流保护下侧壁面最高温度在650K左右,头部最高温度在785K左右。对于热沉喷管,壁面温度随时间基本呈缓慢线性上升,在一定的时间内可以满足实验要求。     

超临界压力下航空煤油RP-3焓值的测量及换热研究

基于能量守恒原理提出了一种超临界压力下中国3号喷气燃料RP-3焓值的测量方法,同时对不同超临界压力下RP-3在323～843 K内的焓值进行了测量.结果表明当燃油温度低于其临界温度时,不同超临界压力下燃油的焓值几乎是一样的,当温度高于临界温度后,不同压力下RP-3焓值之间的差异随着压力的升高而缩小.另外,根据焓值曲线计算出的燃油温度及吸热量与先前已做的其他流动与换热实验中的测量数据进行了对比,结果表明该焓值是准确可靠的,满足未来航空发动机内空油换热器的设计要求.最后,研究了热流密度对超临界煤油换热的影响,结果显示当燃油对比温度小于1.179（760 K）时,Nu数随着热流密度的增加而增加.      

离心力场下细微封闭通道内R12的热驱动换热研究

本文以试验的方法,研究了一种利用彻体力场下封闭通道内流体的热驱动循环流动来强化换热的新型冷却技术。主要讨论了封闭循环通道宽度d为1mm,氟利昂R12为工质的热驱动流动和换热特性,重点分析了随转速(即离心加速度)的变化,R12的热驱动流动和换热变化规律,以及热端壁面的温度分布及变化规律。研究结果表明:离心力场下流体热驱动流动和换热特点同重力场下基本相似;随着转速的提高,R12的热驱动强度不断增加,热端壁面温度逐步下降,同时热端壁面的温度梯度也逐渐降低;在转速为1140r/min时,总平均传热系数达到了1550W/m2·K。      

涂层材料瞬态传热实验与导热系数辨识

针对涂层-基体一体化的双层结构,为测试评估其中涂层材料的导热性能,提出基于瞬态平面热源法（transient plane source, TPS）的涂层材料导热系数反演辨识方法。根据Hot-Disk实验测试原理,建立基体-涂层-探头整体的二维非稳态传热模型;结合测量过程中的瞬时温升数据信息,采用粒子群优化算法反演辨识获得涂层材料的导热系数;并通过实验和数值模拟论证了上述方法的可靠性。结果表明：该测量方法能够有效获得涂层导热系数,测试反演的数值偏差小于4.0%。最后,实际测量和反演辨识获得了一种涂层材料常温至773 K的导热系数,随温度提高呈现增大趋势,数值范围为0.18～0.29 W/(m·K)。     

内喷管单元间隙对塞锥换热的影响

为了解内喷管单元间隙对塞锥换热的影响,建立塞式喷管发动机的三维计算模型,采用数值模拟的方法对不同背压不同冷却剂流量下的塞锥进行换热研究,得出不同工况下的冷却剂温升、压降以及壁面温度、压强和热流密度的分布情况,其中着重研究了内喷管单元间隙对塞锥换热的影响.计算结果表明:由于受单元间隙的影响,造成沿宽度方向上塞锥壁面的压强、热流密度和温度的大小分布不均,并且随着环境压强的降低,单元间隙的影响有减弱趋势.