薄膜电阻温度计原理性误差分析及数据处理方法研究

薄膜电阻温度计是高超声速测热试验中一种常用的传感器,多用于激波风洞中。改进薄膜电阻温度计测热数据的后处理方法,分析其原理性误差,提出修正方法,可以进一步提高热流测量精度,为防热设计提供可靠数据。应用三维热传导理论,考虑热流和温升的耦合影响,计算了气动加热条件下薄膜电阻温度计结构温升情况,得到了铂层内的温度分布规律,并与一维半无限简化理论得到的薄膜电阻温度计表层温度相互对比,得到了模型简化带来的原理性误差;建立了由表面温升计算表面热流的导热反问题计算方法,与经典的Cook-Felderman处理公式和热电模拟网络处理方法相互对比,提出了修正热流值的方法,为提高热流测量精度提供了一种可行的手段。     

气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

多场耦合效应对高超声速进气道入口参数影响

为了研究多场耦合效应对高超声速进气道入口参数的影响,采用自主开发的热环境/热响应耦合计算分析平台FL-CAPTER,对吸气式高超声速进气道前体进行了数值仿真研究。介绍了采用的多物理场耦合分析策略及不同物理场求解方法,通过圆管和两级压缩楔外形,初步验证了多场耦合分析方法的可靠性。以此为基础,研究了进气道前体在长时间巡航飞行条件下的结构温升情况和宏观变形量,分析了进气道结构变形对入口参数的影响。结果表明:进气道前体迎风区域和背风区域不均匀的温度分布引起热应力变化,进气道前体压缩面在多场耦合效应作用下上翘约20mm,考虑变形影响后,进气道偏离设计状态,激波边界层干扰效应增强,喉道附近的分离区域有所增大,进气道入口的质量流量增加约4.2%,喉道平均马赫数降低,静压升高,总压恢复系数降低。     

薄膜电阻温度计原理性误差分析及数据处理方法研究

薄膜电阻温度计是高超声速测热试验中一种常用的传感器,多用于激波风洞中。改进薄膜电阻温度计测热数据的后处理方法,分析其原理性误差,提出修正方法,可以进一步提高热流测量精度,为防热设计提供可靠数据。应用三维热传导理论,考虑热流和温升的耦合影响,计算了气动加热条件下薄膜电阻温度计结构温升情况,得到了铂层内的温度分布规律,并与一维半无限简化理论得到的薄膜电阻温度计表层温度相互对比,得到了模型简化带来的原理性误差;建立了由表面温升计算表面热流的导热反问题计算方法,与经典的Cook-Felderman处理公式和热电模拟网络处理方法相互对比,提出了修正热流值的方法,为提高热流测量精度提供了一种可行的手段。     

C/SiC复合材料烧蚀机理和通用计算模型研究

研究了C/SiC复合材料氧化烧蚀机理,发现它们与传统的硅基和碳基材料烧蚀有很大差别。C/SiC的烧蚀取决于氧的分压、表面温度和材料晶态结构及成份,可能出现活性氧化和惰性氧化两种破坏机制。研究了氧化膜的形成和破坏条件,以及氧化膜中氧气的扩散机制,建立了适用于C、Si、SiC和C/SiC(C和SiC可有不同混和比)四种材料烧蚀计算的通用物理数学模型。     

相变材料热控系统内部接触热阻的辨识方法研究

在相变材料热控系统的吸热融化过程中,由于材料与容器壁面之间的空穴效应形成的接触热阻,将对熔化传热形成阻尼效应。采用反演热传导反问题的方法,将参数辨识中的灵敏度法和共轭梯度法应用到实验,建立了一种可用于材料熔化过程界面稳态和瞬态接触热阻的辨识方法。模拟辨识与初步应用表明：辨识方法计算精度高、稳定性好,为精细化分析相变材料热控系统中的熔化吸热过程奠定基础。     

来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响

针对高超声速飞行器表面缝隙内部流动,通过求解可压缩Navier-Stokes方程,自主研发了一套能够较好模拟缝隙流动特性的计算流体力学(CFD)软件。利用该软件研究了来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响。计算结果表明:随着来流雷诺数的增加,缝内旋涡结构呈现主涡个数增多形态趋于饱满的变化趋势,缝隙壁面绝对热流和无量纲热流增加;随着来流马赫数的增加,缝内主涡个数、形态基本不变,但主涡旋转速度增加,缝隙壁面绝对热流增加,无量纲热流基本不变;随着来流迎角的增加(迎角较小时),缝内旋涡结构和热流变化规律基本与增加来流雷诺数相同。由此分析可知,涡量向下传递并形成旋涡的距离,即形成所谓"死水区"的深度,主要由来流雷诺数和来流迎角决定。     

大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计

针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。     

基于物理量梯度修正的RBF数据传递方法

径向基函数是复杂外形飞行器多场耦合计算中重要的数据传递方法。复杂飞行器物理量分布通常与局部流动特征密切相关且在不同区域变化剧烈，如何在具备各向同性特征的径向基函数中考虑实际物理量各向异性分布因素的影响成为制约其精度进一步提升的关键。针对径向基函数的问题，提出了一种基于局部物理量梯度对径向基三方向权重进行自适应修正的数据传递新方法。采用高超声速舵面、翼身组合体算例对该方法在单次数据传递中的可行性及效果进行了验证，同时基于该方法对压缩拐角外形开展了气动力/热/结构多场耦合数值模拟，并与风洞试验结果进行了对比分析，以验证该方法在实际耦合问题计算长时间高频次数据传递中的适用性及可靠性。研究结果表明该方法能够很好地提升如薄板样条插值（TPS）、多重二次函数插值（MQ）等全域基函数的单次插值效果，并且有效地改进了MQ方法对形态参数的鲁棒性，而对于梯度修正后的紧支基函数，其改进效果更佳，以较少的点达到了TPS、MQ等全域基函数的插值效果，实现了数据传递效率和精度的兼顾。采用该方法获得的耦合计算结果与试验对比一致，表明了该方法的可用性以及在复杂外形多场耦合问题中的良好工程应用前景。     

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明:(1)当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。(2)相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。