液态金属镓微重力下的融化传热特性

相变蓄热适用于周期性热流作用下航天器内部工作单元的温度控制，但是需解决微重力环境下相变材料融化速率低的问题.鉴于液态金属高导热系数和高单位体积潜热的特点，在微重力下将液态金属作为相变材料有望提高融化速率.通过对微重力下液态金属镓融化过程的相界面演化、流线和温度分布特征进行数值研究，分析了腔体尺寸和过热度对融化过程的影响.结果表明:微重力下镓的融化过程中，热传导起主导作用；镓的融化时间比冰和正十八烷分别减少了88.3%和96.4%，储热量分别为冰和正十八烷的1.2倍和2.2倍；融化时间随过热度增加而减小，随腔体半径增大而增大.此外推导出了液相分数随无量纲时间变化的关系.      

含内热源的多孔方腔流热耦合非正交 MRT-LBM数值模拟

针对含内热源的多孔方腔内自然对流现象问题，采用非正交多弛豫时间（MRT）格子Boltzmann方法进行了研究。分析了Rayleigh数（104 ≤ Ra ≤ 106）、内热源布局方式（水平、垂直及对角布局）、内热源几何尺寸大小（A=1/16，1/8，3/16，1/4）及两内热源间的间距（S=5/64，13/64，21/64）对流动传热的影响。结果表明:在Ra=104，105和S=5/64的情况下，任意内热源几何尺寸，内热源采用对角布局方式可获得更好的对流换热效果；在Ra=105，106和S=13/64，21/64的情况下，水平布局方式更优；在内热源采用水平布局，Ra=104的情况下，任意内热源几何尺寸，对流换热效果均随着内热源间距的增大而增强；而随着Ra增大，内热源几何尺寸减小，对流换热效果随着内热源间距的增大先增大后减小，而后随着内热源间距增大其对流换热效果减弱；对角布局也有相似规律，在其他条件一致的情况下，随着内热源几何尺寸的增加，其对流换热效果增强。      

高空飞行环境中液体运载火箭底部热环境研究

采用数值模拟和飞行测试验证相结合的方法对液体运载火箭高空对流/辐射耦合换热问题开展系统深入研究。基于燃气多组分输运Navier-Stokes方程、热辐射方程、Realizable k-ε两方程湍流模型，建立了高空含自由流的运载火箭燃气喷流流动模型。辐射模型采用离散坐标法(DOM)，空间离散采用二阶迎风TVD格式，对多个典型飞行高度火箭底部热流进行大型并行计算，将数值结果与试验数据进行广泛对比，验证了计算模型的精度和有效性。数值研究表明，火箭底部辐射热流在刚起飞阶段达到最大值，随着飞行高度上升，辐射热流逐渐降低，火箭底部对流热流表现为先升高后降低的趋势，并在20 km高空达到峰值。本文的预测分析方法对液体运载火箭底部热防护设计具有重要的理论意义和工程应用价值。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A)扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.     

旋转带肋回转通道换热实验研究

为深入掌握高压涡轮叶片带肋回转通道在旋转状态下的换热分布,建立了旋转内通道实验系统,利用瞬态液晶测量方法研究了动叶回转内通道模型的换热机理,比较了三维数值模拟和实验的换热结果。通道入口雷诺数为5000~17000,旋转数为0~0.09,旋转半径与水力直径之比为46.4。结果表明:不同雷诺数下回转内通道的局部换热系数分布相似,局部、平均换热系数均随雷诺数增加而增大;沿程展向平均换热系数呈多波峰状分布,肋的扰动强化换热沿流向逐渐减弱;径向出流通道的努赛尔数随旋转数增加明显增大,径向入流通道的努赛尔数随旋转数的增加略有减小;哥氏力使转弯下游通道的局部换热系数改变,肋间的高换热区域由前肋的背风面附近向两肋之间偏移。     

重力仪散热装置的热仿真分析

随着移动平台重力测量精度的不断提高,对重力仪的温度控制提出了更高的要求。为了实现在不同温度环境下的高精度重力测量,本文设计了一种保温散热装置,为重力仪提供第一级温控。利用Fluent软件分别模拟了0℃,22℃和40℃环境温度下此装置内重力仪系统的温度场,并在此基础上,利用高低温箱完成该装置的温度性能实验,验证了此温控方案的可行性。     

冲击＋同向对流＋气膜冷却的三维壁温计算与分析

采用Fluent 6.3软件对冲击＋同向对流＋气膜冷却结构的壁温进行了流固耦合传热计算,获得了该复合冷却结构的壁温和冷却效果分布规律,并将计算结果与试验结果进行了对比.结果表明：冲击＋同向对流＋气膜冷却具有壁温分布均匀、冷却效果好等优点.计算结果与试验结果的分布趋势一致,最大相对误差为3.6%.     

高超声速飞行器机体/推进一体化设计的启示

机体/推进一体化设计是吸气式高超声速飞行器的关键技术。飞行器的前体和后体既是主要的气动型面,又是发动机进气道的外压缩型面和尾喷管的膨胀型面,一体化设计直接影响飞行器的气动与发动机性能。本文阐述了吸气式高超声速飞行器的主要特点,梳理了飞行器的推阻匹配、升阻比特性、操稳匹配等主要气动设计问题。通过对国外典型高超声速飞行器机体/推进一体化设计技术的综合分析,总结了前体/进气道、后体/尾喷管、边界层强制转捩装置等关键部件的气动设计方法,获得了有意义的启示,可为后续吸气式高超声速技术研究提供重要参考。     

固体运载火箭底部对流热环境数值模拟

采用数值仿真方法,开展了固体运载火箭底部对流热环境计算研究。采用线性化热力学参数的单一介质简化处理方法,模拟了发动机喷流与高速主流的流场,得到了热流与温度参数,并与飞行试验结果进行了对比分析。结果表明固体运载火箭底部存在较为严酷的对流热环境,本文的数值计算结果与真实飞行试验结果吻合较好,该方法可为固体运载火箭的热环境与防热设计提供参考。     

高温燃气加热器热特性研究

介绍了高温燃气加热器的工作原理,推导了结构在高温燃气作用下的二维共轭传热方程,应用Fluent软件对头锥结构在高温燃气作用下的流动传热特性进行了数值模拟,得到了不同来流温度和速度条件下结构温度分布情况以及外流场流动及传热特性,为高温燃气对流加热试验技术提供依据。