三维编织复合材料宏细观多尺度传热分析

近年来三维编织复合材料在航空、航天等领域得到了广泛应用,而热传导性能是其重要的物理性能之一。根据三维四向编织复合材料细观单胞模型,建立其热传导性能的宏细观多尺度模型,包括等效热传导系数的均匀化模型和温度场分布的多尺度模型;基于宏细观多尺度有限元算法,计算三维四向编织复合材料的等效热传导系数,并与实验结果进行对比;在此基础上,研究编织角和纤维体积含量对热传导系数的影响规律,并确定材料内部的温度场分布。结果表明:等效热传导系数与实验值吻合较好,细观单胞模型能较为真实地反映三维四向编织复合材料的结构构形,宏细观多尺度方法能有效预测三维编织复合材料的热传导性能,并且能有效捕捉材料内部的局部振荡效应。     

碳布叠层穿刺复合材料多尺度传热特性研究

为了深入认识复合材料的多尺度传热特性,预测复合材料宏观热物性参数,基于通用单胞思想和多尺度传热特性分析,建立了一种有效预测碳布叠层穿刺复合材料等效热物性参数的方法。基于电镜扫描分析了纤维束和编织结构的特征,采用通用单胞思想,建立了介/细观传热分析模型,通过数值仿真进行了一系列的多尺度传热特性分析,譬如:纤维体积分数对纤维束结构传热特性的影响、穿刺纤维束大小对编织结构传热特性的影响分析,在此基础上,建立了胞体模板扩展,初步将介/细观结构研究规律应用到宏观结构热物性预测,并进行多层胞体传热特性分析。验证实验表明:等效热物性预测值与实验值吻合较好,方法有效,为深入理解认识碳布叠层穿刺复合材料的介/细观传热特性提供了有效的分析手段。     

基于TLBM-FVM耦合的飞行器舱内热环境跨尺度预测方法

舱内热环境的有效预测是优化飞行器热控与防热设计、减小系统冗余并保障飞行器热安全的重要基础。在国家数值风洞（NNW）工程支持下,针对目前舱内热环境多尺度、多机制复合传热特点及其数值预测面临的精度与效率提升难题,发展了多区域协同推进的时空耦合模型及流/固界面的自适应分辨率识别算法,建立了基于热格子Boltzmann方法（TLBM）与有限体积法（FVM）相互耦合的舱内复合传热跨尺度预测方法,开展了典型飞行器仪器舱的综合热分析,验证了耦合方法的计算精度及效率。研究表明,相关方法可实现舱内热环境的局部精细化与整体大规模的协同模拟,用于开展整体自然对流与设备局部热量传递的多尺度数值模拟,掌握不同环境参数对舱内热质传递过程的影响规律,从而为飞行器热防护/热管理一体化设计提供重要技术支撑。     

多层隔热结构传热模型分析与试验研究

分析了多层纤维隔热材料内导热与辐射换热的复合传热问题,采用能量方程和两热流密度法建立了多层隔热材料传热问题的数学模型,对五种规格隔热元件分别采用三种不同的建模规则进行热分析,计算了三种模型的等效热传导系数。采用稳态法测试试验,测量了五种规格隔热元件的等效导热系数,根据试验结果对三种模型的计算精度进行误差分析,从而确定了接触热阻模型的正确性。     

功能梯度材料热传导的多尺度边界元分析

功能梯度材料是物理性能连续变化的非均匀复合材料,其结构特点消除了材料内部严重的热应力界面,在航空、航天及核反应堆等工程领域具有广阔的应用前景。针对功能梯度材料的稳态热传导问题,给出一种基于边界元模型的统计多尺度分析方法,并针对典型问题进行数值模拟。首先,在功能梯度材料微结构随机分布且体积分数随着位置变化的表征基础上,建立等效热传导系数的多尺度边界元分析模型;然后,给出统计意义下的数值计算方法;最后,研究颗粒随机分布功能梯度材料的热传导性能,并通过与实验结果对比对算法进行验证。结果表明:统计多尺度边界元方法对于预测功能梯度材料的热传导性能是有效的。     

基于耦合传热的双脉冲发动机热防护层受热分析

针对双脉冲软隔层通道孔径对双脉冲发动机I脉冲燃烧室热防护层热环境的影响开展了数值仿真研究。对雷诺平均Navier-Strokes方程采用了双时间步LU-SGS迭代方法、AUSMPW迎风格式以及适合模拟分离流动的改进剪切应力输运(SST)湍流模型进行求解,通过保证流固耦合界面上的热流密度连续来实现耦合传热仿真。采用算例验证了算法及程序的精度和可信度。计算结果表明: I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数随软隔层通道孔径的增大而减小,最大对流换热系数平均减幅达20.3%,再附着点位置和对流换热系数最大值所在位置均向上游移动,分别平均移动24.2%和23.1%;I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数先增大后减小,且回流区内的对流换热系数相对较小,并在再附着点上游达到最大值。     

辐射加热对返回舱气动热环境影响的数值研究

基于高超声速再入飞行器气动热环境预测分析的需要,建立了高温非平衡气体辐射加热对飞行器热环境影响的计算分析手段。采用数值求解化学非平衡N-S方程的方法,对返回舱绕流流场进行模拟,获得高温空气组分质量分数和温度等流场参数分布。基于辐射传输方程,考虑高温气体组分的主要辐射机制,计算分析高温流场气体辐射加热对返回舱热环境的影响。分析表明,在同一飞行弹道条件下,返回舱大底半径尺寸对气动加热的影响较大,在再入热环境严酷区,辐射加热对物面总热流的贡献达30!;产生辐射加热效应的主要机制是高温流场中O和N原子产生连续谱和线状谱以及N2的第一正带系;物面催化效应对辐射加热影响不大。     

基于动理学模型的多尺度随机粒子方法

传统随机粒子方法的时空离散步长受分子碰撞尺度(分子平均自由程和平均碰撞时间)的限制,当空间和时间离散尺度远大于碰撞特征尺度时,其输运系数的数值误差显著增加,因此如直接利用这类方法对跨流域流动精确求解,其计算效率往往是极低的(如DSMC方法,Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法)。通过对随机粒子方法输运系数离散误差的分析可知,这主要是因为传统算法将模拟分子的运动和碰撞解耦计算引起的。针对这一问题,本文介绍了适合于跨流域流动模拟的多尺度Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法。通过分子运动求解中耦合碰撞作用,在连续流区域,改进的随机粒子方法在较大的时间步长下仍能够满足宏观流体力学方程的输运性质。理论和计算结果显示,多尺度Fokker-Planck和BGK模型随机粒子方法可以高效准确地模拟从稀薄流到连续流的跨流域气体流动。     

层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法,实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型,由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能,并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数,通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测,其中数据的最大偏离为19.61%.      

2.5维编织树脂基复合材料平板多尺度动力学模型修正

在2.5维编织树脂基复合材料多尺度固有振动分析的基础上,开展基于实测结构模态数据的复合材料平板动力学模型修正研究,以获取精准反映其动力学特性的模型。首先,建立复合材料平板固有频率对弹性参数的灵敏度分析方法,分析了平板固有振动特性的主要影响因素;其次,建立基于灵敏度分析的复合材料多尺度动力学模型修正方法,形成了基于MSC.NASTRAN平台的模型修正程序。最后,利用实测结构模态测试数据,实现对复合材料平板动力学模型的修正。结果表明,对关键弹性参数进行修正后,不同边界条件和纱线走向的复合材料平板试验件固有频率实测数据与仿真数据的最大误差由10.44%下降至2.39%,相关性得到了大幅改善。此外,所提出的自由模态测试方案结合动力学模型修正方法,为复合材料等效弹性参数的试验辨识提供了新的技术途径。     

高温圆管内多孔介质耦合换热的辐射作用

通过数值模拟圆管内填充多孔介质的辐射对流耦合换热,研究高温固体骨架辐射效应对温度分布及换热的影响.基于局部非热平衡模型分别建立流体和固相能量方程,采用蒙特卡罗法求解固体骨架的辐射换热;对不考虑热辐射引起的温度场偏差和管壁发射率以及多孔结构参数的影响进行讨论.结果表明:多孔固体骨架的辐射效应对入口段温度场的影响明显,不考虑辐射将导致较大偏差,壁温为1500K时最大偏差为16%.管壁发射率对温度场影响较小,壁温为1500K时影响小于3%.孔隙率或孔径增大,壁面辐射热流密度比例增加,辐射效应体现明显.      

基于深度学习驱动的L型定向热疏导机理

碳/碳（C/C）复合材料具有热导率大、比强度高、耐烧蚀和耐冲刷等优异特性,被广泛应用于飞行器的热防护系统中,其有效导热系数对于实际应用而言是重要的热物理性质,尽管可以通过有效介质理论、对热扩散方程直接求解和玻尔兹曼输运方程等传统方法计算C/C复合材料有效导热系数,但这些数值方法通常十分耗时。本文引入深度学习方法,将格子玻尔兹曼（LBM）的三维格子模型作为三维卷积神经网络（3D-CNN）微观结构,不仅解决了三维微观结构模型难以捕获的问题,还便于实现数值计算模型和CNN模型的同步简化,利用3D-CNN快速精准地预测三维三相C/C复合结构的有效导热系数,基于此对内置L型高导热碳纤维丝的定向热疏C/C复合结构的有效导热系数进行快速预测和研究。研究表明,CNN模型在LBM传热计算上表现出强大的学习能力,但在测试样本结构孔隙率过分超出训练集时预测误差将大幅增加,且当孔隙率变化范围从30%~35%变化到55%~60%时,CNN模型"内插"预测的相对误差较模型"外推"降低了0.93%~30.72%。在C/C复合结构中内置L型高导热碳纤维丝可以将高温区域的热量沿纤维方向定向疏导至低温区域。     

小型平板回路热管蒸发器内传热与流动的三维数值模拟

针对小型平板回路热管蒸发器内的流动与传热,建立了多区域耦合的数学物理模型,并应用FLUENT软件进行了三维数值模拟。结果表明:蒸发器传热特性在不同热负荷下呈现出较大的差异,其温度分布不仅取决于热负荷,更依赖于毛细芯表面发生的两种传热机制,即毛细蒸发和热传导。相比高热负荷(Q=120W)和低热负荷(Q=40W),中等热负荷(Q=80W)下蒸发器各个部位的温度均较低。三种不同热负荷下,毛细芯反向导热均大于侧壁漏热,补偿腔内与毛细芯相邻处易出现高温区。冷凝回流液在补偿腔内的流动形成两个涡,这种流动特点有利于降低毛细芯的温度。当热负荷与系统冷凝能力匹配时,整个系统流动与传热特性最优。      

运用区域法模型计算燃烧室内一维辐射换热

采用一种机理严密,精度高的区域法辐射换热模型用于燃烧室壁温计算.采用Lefebvre模型和区域法模型计算了一个圆筒型不冷却火焰筒结构的换热;对比分析了两种方法计算的壁面辐射热流密度和壁面温度分布情况.结果表明,使用Lefebvre模型计算时,由于将燃气按一维划分为定向辐射,在燃烧室前后壁面辐射热流密度较小,存在一定不足;而使用区域法模型计算时,辐射热流密度分布更趋合理.      

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

基于人工神经网络的可压缩湍流大涡模拟模型

在国家数值风洞（NNW）工程项目的指导下,空间人工神经网络（SANN）模型被用于强可压缩湍流大涡模拟（LES）研究,其中流场的湍流马赫数分别为0.6、0.8、1.0。基于湍流的多尺度空间结构特性和人工神经网络方法发展的高精度空间神经网络（SANN）模型适用于不可压缩湍流和弱可压缩湍流。对于强可压缩湍流,流场中会出现激波结构,给大涡模拟带来了挑战。本文的研究结果表明：SANN模型适用于强可压缩湍流的大涡模拟。在先验分析中,SANN模型预测的亚格子应力和亚格子热流的相关系数超过0.995,远远高于梯度模型和近似反卷积模型等传统模型;传统模型的相对误差大于30%,而SANN模型在这方面有很大的改进,相对误差低于11%。在后验分析中,与隐式大涡模拟（ILES）、动态Smagorinsky模型（DSM）、动态混合模型（DMM）相比,SANN模型能更精确地预测能谱、各类湍流统计特性以及瞬态流动结构。因此,基于湍流多尺度空间结构特性的人工神经网络模型加深了人们对强可压缩湍流亚格子建模的认识,同时可以服务于NNW工程的流体力学模型构造。     

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。     

振荡管流换热的解析解及强化换热特性

经求解随时间正弦变化的非定常压力梯度下,管内流体振荡时的运动方程和能量方程,得到了振荡管流换热的速度场、温度场以及当量导温系数的解析解.通过分析可知,影响管内振荡流轴向换热的无量纲参数主要有:无量纲振荡频率,无量纲振幅和流体普朗特数.其中,无量纲振荡频率直接影响流动的速度分布,且随着无量纲振荡频率增加,强化换热效果增强.随着无量纲振幅的增大,管内流动有效导热面积增加,等温面法向温度梯度也增加,使得强化换热效果增强.强化换热效果同样也随流体普朗特数的增加而增强.      

微通道热沉对流传热理论模型及实验

用理论及实验相结合的方法研究了微通道热沉流动与传热特性.首先,总结并提出了微通道热沉对流传热的理论模型;然后,实验测量并计算了微通道热沉的压降及努塞尔数,其理论值与实验值吻合较好,平均误差在10%左右;最后,分析了不同雷诺数及通道宽高比时的导热热阻、对流热阻及电容热阻占总热阻份额的大小.结果表明:对流热阻是影响微通道热沉传热性能的重要因素,当雷诺数为985,通道宽高比为1时,对流热阻占总热阻90%左右;而在雷诺数较小时,导热热阻占总热阻的份额小于10%,可以忽略不计;电容热阻占总热阻的份额随着雷诺数及通道宽高比的增大而降低.