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。     

碳/碳化锆复合材料烧蚀机理和计算方法研究

研究了碳/碳化锆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。基体ZrC氧化后在表面形成一种膨松状的多孔固态抗氧化膜,氧化膜能有效阻止材料进一步氧化,使烧蚀量大大降低。研究了烧蚀过程抗氧化膜的形成、演化和流失行为,研究了氧化膜中氧气的扩散机制(包括分子扩散和Knudsen扩散),研究了材料原始层表面可能存在的化学反应,建立了分析碳/碳化锆复合材料烧蚀响应的物理数学模型。     

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。     

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。     

高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

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。     

考虑力/热/结构多场耦合效应的飞行弹道预测

高超声速飞行器气动力/热/结构多场耦合的一个典型效应是热弹性变形,从而引起气动力变化及配平变化,并进一步改变飞行弹道与控制方案。将FL-CAPTER高超声速多场耦合分析软件拓展至飞行力学领域,建立了考虑气动力/热/结构多场耦合效应影响的弹道模拟新方法,并针对给定舵偏角下自主配平控制的助推-压缩楔组合体外形,开展不同耦合时间尺度下的飞行弹道特性研究,初步探讨分析了多场耦合效应对飞行弹道的影响。研究结果表明：对于助推-压缩楔组合体外形,考虑多场耦合效应后,变形将带来配平迎角增大,飞行器升力、阻力同时增大,升阻比降低,弹道飞行高度增加,飞行马赫数降低,航程变短等一系列影响;同时,气动/弹道耦合计算时间步长的选取对弹道仿真结果存在较大影响,当步长选取过大时,会带来非物理振荡,导致计算结果失真;所提出的基于变形量回溯插值技术的双时间步修正方法能够有效提高弹道仿真精度,削弱因时间步长选取过大造成的非物理振荡。相关研究对认识多场耦合效应与飞行弹道的耦合机理及弹道设计等可提供重要参考。     

碳基材料氧化烧蚀的快/慢反应动力学问题

在前期单/双平台问题研究的基础上[1]，就学术上和工程应用中关注的碳在空气中燃烧的"快反应"和"慢反应"问题进行了深入分析，研究发现被广泛使用50余年的"慢反应"并不存在，而被弃置的"快反应"则真实存在，且具有重要的应用价值。采用"快反应"动力学数据，同时考虑CO、CO₂两个烧蚀产物，得到的无量纲烧蚀速率随温度的变化曲线存在两个平台，其中，温度稍低情况下出现的第一平台对应的主要烧蚀产物为CO₂，温度稍高情况下出现的第二平台对应的主要烧蚀产物为CO，且第一平台对应的无量纲烧蚀速率恰好是第二平台的1/2。过去常被忽略的CO₂扮演了重要角色，由它产生的第一平台，将以往文献中看似完全独立、毫无关系的"快反应"和"慢反应"曲线建立了联系。理论分析表明:第一平台之前的快速上升段属于从速率控制区到扩散控制区的过渡区，第一平台及其以后的区域都属于扩散控制区（包括两个平台之间的连接线），它是由反应生成物CO与CO₂的分压比δ从0到∞的变化引起的，与表面化学反应动力学条件完全无关。由"双平台"理论得到的从低温到高温、由速率控制区经由过渡区到达扩散控制区的整条烧蚀速率曲线，与实验结果完全吻合。     

凹坑局部干扰热环境数值模拟研究

通过求解雷诺平均N-S方程,采用NND格式和SST两方程湍流模型,对开/闭式凹坑二维和三维流动情况进行了模拟,得到了凹坑局部压力和热流的分布,并与试验结果进行了比较。计算结果表明,凹坑局部峰值压力和热流均出现在后沿附近,且闭式凹坑局部热流较开式凹坑更为严重;在三维流动情况下,由于侧壁的影响,开式凹坑峰值热流沿后沿展向变化较小,而闭式凹坑峰值热流会离开后沿中心而出现在后沿靠近侧壁的区域。     

基于轴对称比拟的高超声速飞行器表面热环境数值与工程耦合算法研究

基于轴对称比拟概念,发展了一套笛卡尔坐标系下的高超声速飞行器气动热环境计算方法。首先利用有限体积法数值求解Euler方程获得较为准确的边界层外缘无粘流场参数,然后基于有限元的四节点单元变换方法,直接利用笛卡尔坐标系下的三维速度分量计算无粘表面流线和尺度因子;在获取无粘表面流线和尺度因子的基础上,利用Zoby、Moss和Sutton提出的热流公式计算表面热流,从而实现数值算法和工程算法的耦合。将上述方法用于求解球锥在攻角分别为0°、8°和16°时的表面热流,并将计算结果同经典流线法结果及实验值进行比较,从而对方法进行考核验证。结果显示:本文计算结果与实验值吻合的较好,计算精度较经典流线法有较大提高。