高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

飞机客舱烟气扩散数值仿真

通过建立五排客舱的几何模型及客舱烟气流动的数值仿真模型,采用RNG k-ε湍流模型对客舱内的湍流流动进行描述。基于Fluent对火灾阴燃阶段客舱内烟气浓度场和温度场进行三维数值模拟分析,预测了烟气浓度随时间变化规律。结合适航规章分析烟气中CO、CO2浓度对客舱空气品质及乘客健康安全的影响,给出火灾紧急措施建议,同时也为大型运输类飞机烟雾的适航审定符合性验证方法的研究提供基础。     

超声速隐身歼轰机概念设计数值模拟

为了提高军用飞机的空战和对面攻击能力,对歼轰机进行总体设计。采用CATIA软件,设计出隐身歼轰机的三维数字样机和武器挂载方案;基于物理光学法和等效电磁流法,采用自编的RCSAnsys软件,数值模拟歼轰机的数字样机在X、S和UHF波段下的RCS特性和强度分布特性;基于湍流模型的k-ε方程和控制理论的N-S方程,采用Fluent软件,数值模拟歼轰机的数字样机所在空气流场的压强和速度分布云图,得出整机的升阻特性。概念设计数值模拟结果表明：内置弹舱的歼轰机前向±30°的RCS均值≤-4.728 dBsm,超声速飞行时歼轰机的升阻比约等于5.6337。     

GH4169合金反挤压成形模具磨损

基于修正 Archard 磨损模型,采用数值模拟方法系统分析了 GH4169合金反挤压成形过程中各挤压工艺参数对模具磨损的影响规律。结果表明：在选取的参数范围内,挤压凸模最易产生磨损失效的区域为凸模圆角处,模具最大磨损深度随凸模圆角半径及坯料预热温度的增大而降低,随摩擦系数的增大而增大;当挤压速率小于100 mm ／s时,模具最大磨损深度随挤压速率的增大而减小,当挤压速率大于100mm ／s 时,模具最大磨损深度随挤压速率的增大先增大后减小。最佳工艺参数坯料预热温度1020℃,摩擦系数0．05,变形速率100mm ／s,模具预热温度300℃时模具磨损量最小,为9．28×10－3 mm。     

油膜干涉测量翼型壁面摩阻低速风洞试验技术

油膜干涉试验可以定量测量得到模型壁面的摩擦应力,是开展摩阻特性研究的有力工具。通过对油膜干涉试验技术中的试验原理、试验方法、误差修正、数据结果分析等关键问题的研究,初步建立了试验系统,具备了开展模型壁面摩阻特性研究的试验能力。综合分析表面热膜试验结果与数值计算结果,在以模型弦长为特征长度,试验雷诺数 Re ＝1．3×106的条件下,翼型表面摩擦应力沿模型弦向的分布规律具有较好的一致性。     

航空发动机液压管路静压力损失分析及试验验证

液压机械装置(HMU)燃油管路的设计是否合理将直接影响到油液静压力的传递损失和各液压元件的工作特性.为了研究燃油管路内部流动损失机理,验证相关计算方法的置信度,针对典型管路静压力损失,采用锐边节流公式和短管节流公式进行了理论计算,并进行了CFD仿真分析,对计算结果进行了试验验证.计算与试验结果对比分析表明:液流的静压力损失主要出现在进口环腔与管路的交界处,管路下游液流的静压力与出口环腔内一致;锐边节流公式的计算结果相对偏大,而短管节流公式的计算结果更接近于试验值.     

预设堵块法检测进气道自起动能力的数值研究

在进气道内预先设置轻质堵块迫使进气道不起动,堵块被气流吹出后流道恢复畅通,为激波风洞提供了一种检测进气道自起动能力的方法。为了深入认识预设堵块方法的检测过程,将堵块简化为一个自由度的刚体运动,采用k-ωSST湍流模型,结合铺层动网格技术,对该检测方法进行了二维非定常数值模拟。在Ma_∞=5.9条件下,采用改变堵块质量的方式,获得了三种典型的检测过程。通过分析堵块在气动力作用下的运动与进气道非定常波系演化相互耦合的过程,揭示了堵塞作用产生和消除的流动机理。结果表明,堵塞时间没有显著地改变进气道的自起动能力,预设堵块方法成功检测到进气道在Ma_∞=4.9自起动。此外,建立了预估堵块运动的匀加速模型,预估的堵塞时间与数值模拟结果较为符合。在Ma_∞=5.9条件下,堵块的临界质量约为3.8g。考虑到激波风洞实验时间短暂,应选择合适的堵块。     

带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究

为研究迎角对钨杆斜侵过程的影响,开展了带迎角钨杆斜侵彻铝板数值仿真研究。仿真中采用SPH方法,Shock状态方程和Steinberg本构模型。钨杆共有两种尺寸,分别为Φ10mm×23mm和Φ10mm×46mm。铝板厚10mm,撞击速度为2km/s,撞击角度为60°。为简化分析,将迎角分解为俯仰角和偏航角,其中俯仰角范围为-90°～90°,偏航角范围为0°～90°。对钨杆侵彻过程的分析结果表明：斜侵彻存在临界迎角,在临界迎角范围内钨杆所受力矩可忽略不计;在临界迎角范围外,钨杆将发生弯曲甚至折断。对钨杆的剩余质量分析结果表明：当偏航角为0°且钨杆未折断时,剩余质量只在较小的范围内变化;当俯仰角为0°时,剩余质量随迎角增加线性减小。对钨杆的剩余速度分析结果表明：偏航角对剩余速度的影响与俯仰角对剩余速度的影响基本一致,剩余速度曲线关于0°迎角基本对称。根据仿真结果,采用曲线拟合的方法给出了钨杆斜侵彻铝板的剩余速度经验公式。     

高超声速热化学非平衡钝体绕流数值模拟

对高超声速热化学非平衡钝体绕流进行研究,发展了高温热化学非平衡条件下的高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风TVD格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器,考虑了空气5组分及化学非平衡效应的影响,对组分生成源项及振动能源项采用了点隐式的处理,提高了计算效率。对球锥模型和RAM-CII飞行实验等算例进行了数值气动热模拟,分析了不同非平衡模型在热化学非平衡条件下流场的影响。计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。