壁面辐射平衡DSMC方法及其在双锥构型中应用

临近空间高超声速飞行器在高空长时间飞行,受气流加热影响,飞行器表面温度显著升高,依赖地面试验和传统DSMC仿真预测的热流值明显高于飞行观测值,导致飞行器防热系统的保守设计.本文发展了一种基于壁面辐射平衡的DSMC边界模型,通过热流值反算辐射平衡壁面温度,并以此温度作为下一个时间步DSMC计算的边界条件,迭代更新至给出壁面温度的收敛值.基于该温度边界条件,开发了适用于轴对称构型的DSMC求解器,并以钝锥构型对计算模型和求解器进行了验证.重点针对激波风洞试验条件下的双锥构型,开展数值模拟研究,结果表明:该构型恒温冷壁条件得到的壁面压力分布和热流与风洞试验结果吻合,两种温度条件下的压力峰值差异约为15.4％,但是整体气动力特性差异仅约为0.33％;相对于冷壁,辐射平衡计算得到的前缘处热流峰值降低约50％,再附点处的热流峰值降低约三分之二;两种条件相结合,可以给出壁面热流的预测范围.     

双辐板涡轮盘流动与换热试验研究

通过测量不同工况下双辐板涡轮盘壁面温度、盘腔内气流压力和温度分布,研究了盘心冷气流量、转速及盘缘加热量对盘内流动与换热的影响。结果表明,双辐板涡轮盘试验件壁面温度随转速的上升而下降,随盘缘加热量的增加而上升;由于盘缘加热,整个壁面温度在径向上沿盘面逐渐上升;由于离心力作用,盘内气流压力随转速的上升而略有升高;转速越高换热效果越好,盘内气流温度越低。     

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。      

壁面加热湍流标度律的实验研究

用热线风速仪测量了风洞中壁面加热和不加热平板湍流边界层不同法向位置的流向速度和温度的时间序列信号，研究了壁面加热的边条件和不同法向位置的剪切作用对速度和温度增量的p阶结构函数的非线性反常标度律的影响，实验结果表明，壁面加热的边界条件不同法向位置的剪切作用对层次结构模型中间歇参数β和最奇异指数γ的影响明显存在，并初步分析了在具有强剪切作用的壁湍流中这种影响产生的原因。     

汽雾两相流强化冷却燃气轮机叶片内冷通道

实验研究了方形通道这一重型燃气轮机中常用叶片强制对流冷却通道结构.分析了雷诺数、壁面热流密度以及水雾质量流量比等关键参数对汽雾冷却通道的传热特性的影响,并建立了考虑离散相水雾的流动工况和通道壁面加热条件的实验关联式.结果表明:相对于纯蒸汽,汽雾两相流的传热系数显著提高,且传热性能提高的幅度随热流密度的增大而减小,随雷诺数和水雾质量流量比的增大而增大;通道上壁面平均传热系数低于下壁面,在高热流密度和低水雾质量流量比下,两者相差约13%,而在低热流密度与高水雾质量流量比的情况下,该比值增加到约25%.      

隔离段内超声速流动摩擦阻力分析

以超燃冲压发动机等截面隔离段内部流动阻力特性为研究背景,以数值模拟和实验测量为研究手段,研究马赫数2.5来流条件下,平板流动和带激波反射流动条件下的壁面摩擦阻力.实验测量得到了超声速流动下的壁面摩擦阻力.研究发现,当激波反射形成局部微小分离时,激波和边界层的相互作用使得分离区下游的壁面剪切应力恢复为比分离区上游稍高水平.存在激波反射时,壁面总的摩擦阻力略大于无激波时的平板流动.     

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

滑移流区化学非平衡流中气动热环境的数值模拟

针对滑移流区化学非平衡流中的气动热环境预测问题，采用多组分化学非平衡纳维-斯托克斯（N-S）方程对轨道验证飞行器（OREX）进行数值模拟，对比了有限催化和非催化、滑移和无滑移壁面条件下的气动加热，研究了壁面催化和滑移效应对气动热的影响规律，并分析了影响气动热的主要机制。结果表明：壁面催化和滑移效应均会影响流场物理量分布，高度为92.82 km时对激波脱体距离的影响较为明显；随着高度减小，有限催化与非催化壁面间的热流偏差增大，而滑移与无滑移壁面间的热流偏差减小；高度低于92.82 km时有限催化壁面计算得到的驻点热流值与飞行数据吻合较好，偏差均在11%以内；机制分析发现，催化效应对壁面附近的组分分布影响较大，滑移边界条件中的温度跳跃条件对壁面附近的温度分布影响显著。     

发动机舱内部传热和蒙皮的降温规律

建立了简化的发动机舱物理模型,对通风冷却和辐射遮挡的蒙皮降温效果进行了数值模拟和实验研究,并对发动机舱内部传热规律进行了分析.结果表明:数值计算得到的发动机舱蒙皮表面沿程分布与实验结果吻合良好.在加热壁面分段的热边界条件下,无辐射遮挡且无通风时蒙皮内侧表面接受的热流占热壁面加热热流的比值约为78%,当发动机舱通风速度达到1m/s时该比值降至20%;当通风速度从0m/s增大至3.5m/s时,发动机舱蒙皮峰值温度的降幅约为10%;无通风条件下有辐射遮挡的蒙皮峰值温度相对于无辐射遮挡的情形降幅约为6%;在通风冷却和辐射遮挡的综合作用下,蒙皮峰值温度相对于无通风且无辐射遮挡的基准状况可降低约50K,相对降幅约为14%.      

完全催化壁驻点高超声速流动加热地面模拟方法研究

在地面高焓风洞中准确模拟高超声速头部驻点区化学反应流动加热,从平衡边界层和冻结边界层驻点气动加热公式出发,分析了离解焓对不同催化特性驻点加热的影响、地面风洞非平衡来流条件下头激波后的流场参数变化规律和与天上飞行条件的差异,分析了壁面催化特性对流场参数的影响,建立了地面高焓风洞模拟完全催化壁驻点气动加热的模拟准则:只要在风洞条件下实现对驻点压力ps、驻点速度梯度βe、来流总焓hs的模拟,则能够复现天上状态的气动热载荷。针对不同半径的飞行器头部驻点开展化学非平衡流场数值模拟进行了验证,表明:地面风洞无法完全模拟飞行器头部绕流流场参数,材料的催化特性对壁面附近流场中的N、O组元和壁面热流影响较大;地面风洞采用半径1∶1的模型模拟完全催化壁驻点加热会偏低于天上状态,而根据三参数模拟准则确定的模型尺寸能够同时复现天上状态驻点区的焓、压力、热流,且随着飞行器头部半径增大头部驻点线近壁面附近的温度、组元N、O梯度与天上会趋于一致。     

格林函数法求解含移动介质轴向导热的稳态温度场

用格林函数法求解了考虑移动介质轴向导热影响的稳态温度场,推导了第1类和第2类非齐次边界条件下求解稳态温度场的数学表达式,利用特征值和特征函数获得了格林函数解,证实格林函数法可以解决非齐次边界条件下的稳态传热问题.以平行板间和圆管内均匀速度移动介质的稳态传热为例,获得了在半无限长壁面和在有限长壁面有均匀热流密度两种情况下所对应的温度场的无量纲解析解,分析了移动介质轴向导热与Pe和x/H之间的关系.结果表明:在所分析的两种热流密度边界条件下,Pe越大无量纲温度越小;在半无限大区域有均匀热流密度条件下,无壁面热流密度区域温度变化越剧烈,有均匀壁面热流密度的区域无量纲温度随x/H的变化几乎不受Pe大小的影响;在有限区域有均匀热流密度条件下,与半无限大区域均匀加热的情况有显著差异,在全计算域内温度变化越剧烈.     

考虑热传导的微型离心压气机设计与数值分析

为厘米级微型燃气轮机设计了一台直径为26 mm,设计转速为240 000 r/min,设计流量为30 g/s的微型离心压气机,并在壁面绝热条件和壁面等温传热两种条件下,运用CFX软件进行了数值模拟.结果表明,在同样的轴输入功的情况下,壁面等温传热条件下流量比绝热条件减小7.53%,总对总等熵效率降低约18.1%,总压比减小21.7%.在此基础上,考虑热传导对微型离心压气机进行了改进设计,CFX软件分析结果表明,改进后的设计满足微型燃机总体设计要求.      

高超音速飞行器前缘驻点气动加热的计算

介绍了以高超音速(马赫数不小于6．0)在地球大气层中飞行的飞行器外表面的附面层与飞行器壁面间热交换的物理特性及高超音速附面层的数学模型，给出了该飞行条件下轴对称形式的飞行器前缘驻点空气动力加热的计算方法。     

过膨胀状态下单边膨胀喷管内壁面压力非定常特性试验研究

为获得单边膨胀喷管(SERN)过膨胀状态下壁面压力非定常特性,在喷管落压比(NPR)为7.54和9.98两种状态下,采用动态压力传感器对SERN壁面压力进行试验测量,并结合聚焦纹影观测流场。结果表明:在两种落压比条件下,喷管下壁面分离模态均为自由激波分离(FSS);NPR=7.54条件下,喷管上壁面分离模态为受限激波分离(RSS);而在NPR=9.98条件下,喷管上壁面分离剪切层间歇性地撞击喷管壁面,导致喷管出口附近壁面压力间歇性的高于环境压力,流动分离模态为部分受限激波分离(pRSS)。不同分离模态下,上游未受扰动区域壁面压力脉动主频均接近于6kHz,喷管内流动分离点呈现宽低频振荡特性。RSS模态下,分离点附近壁面压力脉动具有相对独立主频,而在FSS和pRSS模态下无明显独立主频。     

有限催化对返回舱气动热环境影响

基于给定催化效率的方法,发展了包含离子组分的有限催化边界条件,并结合多组分化学非平衡N-S方程数值求解,建立了有限催化条件下的高超声速飞行器气动热环境计算方法。采用不同催化效率对返回舱外形典型再入工况气动热环境开展了计算分析,研究了壁面有限催化对该返回舱气动热环境的影响规律。结果表明:壁面催化效率对返回舱气动加热影响显著,采用低催化效率壁面材料可有效缓和返回舱气动热环境;扩散热流相对传导热流对壁面催化效率更加敏感,是影响气动热的主要机制,但热流并不随催化效率增加而线性增大;壁面有限催化对气动热的影响不仅与壁面材料催化效率有关,也与流场离解电离程度、壁面密度、温度等当地流动参数相关。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

尖化前缘高导热材料防热分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境,提出疏导式热防护结构( TPS),为飞行器前缘提供热防护.采用有限元法和有限体积法,分别对在特定工况下飞行的尖化前缘固体域和流体域进行计算,验证了前缘内嵌高导热材料的防热效果,其中来流马赫数为6.5时,头部壁面最高温度下降了13.6％,尾部最低温度升高了16.7％,实现了热流...     

微气泡发射沸腾形成机理

为了探究具有超高换热性能的微气泡发射沸腾现象的形成机理,采用FLUENT软件对加热面上单个气膜周围的速度场进行数值模拟,并与实验结果进行对比.实验结果表明,对于水,微气泡发射沸腾现象发生时,加热壁面上会出现气膜破裂的过程,并且过冷度和壁面过热度的升高会加剧这一过程.对于酒精,微气泡发射沸腾现象很难发生.计算结果表明,在过冷条件下气膜周围存在marangoni对流,对于水而言,过冷度和壁面过热度的升高会增强气膜周围的marangoni对流过程,而在酒精气膜周围 marangoni对流相对较弱.因此由气膜周围强烈的marangoni对流过程引起的气液界面上的扰动可能造成气膜破裂,这可能是微气泡发射沸腾现象形成的原因之一.      

壁面催化效应对高超声速气动热影响研究

高超声速飞行器壁面催化效应会导致激波层中原子在壁面处复合释热,加剧周围气动热环境。针对高超声速流动壁面催化特性,选择不同飞行马赫数及高度条件,采用完全催化和非催化两种条件对球锥模型壁面热流率进行数值模拟计算,研究壁面催化效应对气动热的影响规律。结果表明,固定飞行高度时,壁面催化效应对气动热的影响随马赫数增加而加强,Ma=25条件下驻点处完全催化与非催化热流比值高达1.92;固定飞行马赫数时,在50km高空以上壁面催化效应对气动热的影响随高度增加而减弱;壁面催化效应不仅会影响壁面附近的流场特性及组分分布状态,而且对整个激波层都有一定的影响作用。     

凹腔尺寸对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统性能的影响

针对高超声速飞行器热防护系统(TPS)的设计,对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统展开研究.在数值方法实验验证的基础上,通过求解Navier-Stokes方程得到了带组合热防护系统的鼻锥的流场结构以及壁面热流分布.验证了组合热防护系统的有效性.在逆向喷流条件不变的情况下,进一步研究了凹腔的尺寸变化对其防热能力的影响.研究发现:凹腔的直径越小,深度越深,气动加热值越低.自由来流与逆向喷流形成的回流区在减少鼻锥的气动加热上起到关键的作用.相对于凹腔深度的变化,鼻锥壁面的气动加热更敏感于凹腔直径的变化.