烧蚀外形方程差分计算方法研究

分析了烧蚀外形方程的性质,研究了人工粘性项对烧蚀外形计算结果的影响,发现人工粘性在抹平非物理波动的同时,会严重影响计算精度.借鉴于CFD中NND格式的思想,构造了求解烧蚀外形方程的无波动、无自由参数的耗散差分格式,得到了满意的计算结果.     

电弧加热器试验条件下端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了仿真计算，考察了碳-碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律。重点研究了电弧射流的非均匀性对烧蚀外形的影响以及表面粗糙度对边界层转捩和气动加热的影响。     

高超声速飞行器碳基头锥烧蚀外形计算

高超声速飞行器头锥部位的烧蚀外形会影响飞行器的升阻比和飞行器的稳定性,烧蚀外形的准确评估对于长时间滑翔式飞行器的综合设计具有重要意义。本文介绍了头锥烧蚀外形计算方法,基于该方法对飞行器头锥烧蚀外形进行了仿真研究,某飞行器头锥烧蚀的仿真结果与试验结果吻合良好。对比了飞行器进行俯仰运动和滚转运动时的烧蚀外形,总结了烧蚀外形随飞行状态变化的演变规律,俯仰运动影响头锥迎风面和背风面的烧蚀量,滚转运动影响头锥烧蚀位置。     

电离空气环境中碳化材料的烧蚀

本文给出了电离空气环境中碳化材料热化学烧蚀参数的计算方法。由于采用了比较精确的传递系数关联公式和改进了烧蚀表面气体成分的计算方法,因而可以用相当简单的方法得到与耦合(化学反应边界层与烧蚀表面耦合)计算非常符合的结果。本文方法可以得到碳化材料烧蚀表面气体的电离特性;为烧蚀电离边界层计算提供壁面边界条件。也可以用来进行热防护设计。     

硅基内衬喷管扩张段烧蚀和温度场的耦合计算方法

本文叙述固体火箭喷管扩张段硅基内衬烧蚀和温度场的耦合计算方法.烧蚀采用非定常的液体层烧蚀模型;温度场计算采用圆柱坐标系下的一维径向瞬态导热模型,考虑材料在高温下形成的炭化层和热解层,而由烧蚀产生的边界移动问题用坐标变换的方法处理.利用烧蚀和导热计算方程组中二者的结合部,通过充分耦合,获得了更准确的预示计算结果.     

再入飞行器烧蚀热防护一体化计算方法

针对再入飞行器烧蚀热防护系统烧蚀与瞬态温度耦合响应预测问题,提出了一体化计算方法,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供包括气动热、烧蚀后退、瞬态温度响应在内的动态响应预测依据。该方法采用Sutton-Graves和Tauber-Sutton理论计算驻点的对流热流和辐射热流,通过表面能量平衡整合具有较高精度的烧蚀模型,并通过Landau变换简化烧蚀后退带来的节点删除过程并保证空间离散精度,最后求解瞬态有限差分热传导方程获得烧蚀热防护系统的热环境、烧蚀过程和温度响应。通过对比计算碳-碳材料钝头体地球再入过程和酚醛浸渍基碳烧蚀体（PICA）材料电弧风洞烧蚀模拟,对该方法对于不同材料体系的适用性进行了验证。计算结果表明：对于密度较高的碳-碳材料,本文计算结果与经典的热平衡积分法吻合较好,偏差在7%以内;而对于低密度材料（如烧蚀性能对压力高度敏感的PICA材料）,随着热流和压力的增大,预测偏差逐渐增大。所提出的方法实现了气动热、烧蚀、瞬态温度响应耦合过程的一体化计算,在保证精度的前提下实现快速计算分析,为再入飞行器烧蚀热防护设计提供依据。     

再入弹头三维非对称烧蚀外形模拟

远程战略导弹再入大气层,热环境十分严酷,烧蚀量很大,外形呈现非对称性。烧蚀变形、质量引射和表面烧蚀花纹反作用于气动力、气动热及表面温度场。它们之间的相互作用十分复杂,影响落点精度。依据等效转换,将有迎角、侧滑角的绕流转换成总迎角绕流。对于不同子午面,将其变换到纵向坐标轴沿等效流动方向的气流坐标系,通过等效迎角化为零迎角绕流。采用Monte-Carlo统计方法,生成伪随机数,对弹头表面粗糙度随机抽样,表征不同子午线上转捩初始位置的随机分布。改进了零迎角烧蚀外形计算方法,拓展了其应用范围,并通过与能反映转捩点移动方向的松耦合计算策略相结合,采用数值求解烧蚀外形方程,成功模拟了小倾角再入过程中端头非对称烧蚀外形。     

炭化层疏松/致密结构的三元乙丙烧蚀模型

分析了烧蚀发动机和高过载烧蚀发动机实验得到EPDM(三元乙丙)的炭化层结构,获得烧蚀过程炭化层结构形成变化的机理,建立了考虑疏松致密结构的多孔炭化层物理模型.模型中炭化层为非均质的多孔可渗透介质,孔隙内部存在气体扩散和热化学反应;炭化层中热解气体沉积效应形成致密结构.在多孔介质流动与传热算法基础上建立了模拟绝热材料烧蚀过程的数值方法,计算得到的炭化率、质量烧蚀率和炭化层的多孔结构与实验结果相吻合,证明了本烧蚀模型能够准确地描述绝热材料的热化学烧蚀过程,并为耦合烧蚀模型的建立提供数值算法基础.      

C/C复合材料喷管烧蚀壁面退移流固耦合仿真研究

为了保障固体火箭发动机C/C喷管的可靠性,建立了一套正确反映发动机喷管烧蚀过程的流固耦合计算模型,以实现对喷管烧蚀率的高精度预估。依据热化学烧蚀理论以及喷管内燃气与喷管结构体界面的质量平衡和能量平衡关系,建立并验证了考虑壁面退移的C/C喷管流固耦合方法,实现了燃气流动、异相化学反应、结构体传热三者间的耦合。通过实验发动机喷管的烧蚀计算,论证了模型的正确性,并分析了不同金属铝含量对烧蚀率的影响,计算所得的烧蚀率与实验值最大相对误差为4.3%,与不考虑壁面退移的耦合算法计算结果对比,计算精度最高可提升46%。计算结果表明：C/C喷管在喉部附近烧蚀最为严重;推进剂中Al含量的增加导致燃气中氧化组分浓度降低,进而减少了烧蚀速率,这些结论与C/C喷管烧蚀相关研究结果一致。     

带芯子的碳—碳端头烧蚀外形计算

对电弧加热器试验条件下端头的烧蚀外形进行了数值仿真，考察了碳－碳端头烧蚀外形随来流条件的变化规律，重点研究了将碳－碳端头体轴附近材料换成由另一种烧蚀速度较快的材料制成的芯子后的匹配烧蚀问题，揭示芯子对烧蚀外形的影响规律。     

燃气轮机透平叶片气热耦合计算

针对具有热态实验结果的MarkⅡ冷却叶片进行气热耦合计算研究,利用CFX求解器对非耦合与耦合算法进行了详细的分析和对比.结果表明,相比耦合计算及实验结果,由于非耦合边界条件的影响,采用施加平均壁面温度的非耦合计算存在较大的计算偏差.研究工作揭示了气热耦合计算的必要性及准确性.     

烧蚀外形方程的理论分析

本文首先给出了常用热流计算公式的规范形式,然后应用一阶非线性偏微分方程的特征理论分析了烧蚀外形的基本特性,探讨了外形斜率的间断问题,与此同时,给出了计算烧蚀外形的简单计算方法。最后,作为烧蚀外形方程的一个特解,导出了平衡形状的解析式。本文还对这砦计算方法,给出了典型算例。     

天宫飞行器过渡流区高超声速绕流N-S/DSMC耦合计算

针对类天宫飞行器服役期满再入大气层多次解体过程残骸碎片绕流对气动特性干扰影响的问题,在数值求解N-S方程的CFD和DSMC方法程序研究基础上,采用MPC耦合处理原理,发展了基于Chapman-Enskog非平衡速度分布函数的耦合区域双向信息交换亚松弛计算技术,建立了适于残骸碎片两体不同间隔绕流干扰流场的N-S/DSMC耦合算法。对天宫飞行器两舱结构体在过渡流区低密度风洞试验状态进行了耦合计算,计算结果与风洞试验结果吻合很好,验证了所建立的耦合算法对再入解体残骸碎片气动特性计算的有效性和可靠性。通过对天宫飞行器解体碎片的简化外形球和球柱体在过渡流区高超声速两体干扰气动特性进行不同间隔绕流场耦合计算分析,结果表明,在一定的距离范围内,两体干扰会对残骸碎片的气动特性产生较强的影响,不同的残骸碎片外形在不同距离的干扰规律不一致。计算结果为天宫飞行器再入解体气动融合轨道数值预报提供设计依据。     

高超声速再入体烧蚀流场计算分析

从化学非平衡NS方程或其简化形式(粘性激波层方程、PNS方程)出发,求解高超声速再入体的绕流和底部尾流流场。首先讨论了碳基材料烧蚀壁面条件的确定方法,计算了包含和不包含碳-碳烧蚀产物的再入体半球的化学反应绕流流场,并和文献结果进行了对比。在此基础上,计算了两个高度条件下,包含和不包含碳-酚醛烧蚀产物的再入小钝锥的绕流和尾流流场,分析了烧蚀产物对流场电子数密度、温度等流动参数的影响。     

返回舱再入过程中烧蚀影响研究

返回舱再入过程中,气动外形随着防热材料的烧蚀后退逐渐发生改变,可能对返回舱的再入性能带来不利反应。笔者前期对类联盟号返回舱在再入末段单个弹道点开展过烧蚀对配平特性的影响研究,为进一步研究烧蚀潜在的影响,通过烧蚀模型和吸热机理对类联盟号返回舱进行材料烧蚀计算,获得再入过程中4个不同时刻的烧蚀外形,它们的最大烧蚀量分别为2.3mm、7.8mm、9.8mm及12.5mm,在此基础上采用数值模拟方法对返回舱的烧蚀影响进行了研究,对初始外形和4个不同时刻的烧蚀外形分别进行气动特性的计算与分析,并与前期研究结果进行比较。结果显示:返回舱的烧蚀后退量将随着弹道的推移逐渐增大;烧蚀将使返回舱配平迎角减小(绝对值增大),配平升阻比增加,纵向压心前移,且这种影响随着烧蚀量的增加而增大;在研究范围内,配平迎角变化量与烧蚀后退量基本呈线性关系。该研究结果与文献对CEV乘员舱的研究结论在定性上是相符的,同时也验证了前期的研究结论。     

高粘度SiO_2材料烧蚀传热机理及试验验证

通过对高粘度SiO2材料的烧蚀及传热分析,建立了硅基材料的固体层一液体层的耦合烧蚀计算方法.给出了材料烧蚀过程中烧蚀速度、液层厚度、液层温度及固体温度的表达式及求解方法,并把计算结果与电弧加热器平板烧蚀试验的液层厚度分布及烧蚀量的精确测量结果进行了对比.结果表明新模型的液层厚度及烧蚀量与实验结果符合很好.     

C/SiC材料主动氧化烧蚀计算研究

建立了C/SiC材料的热化学平衡烧蚀模型,进行了C/SiC材料烧蚀机理的计算研究和试验验证,理论计算结果和试验数据符合良好。计算结果表明,在高温空气环境下,C/SiC材料的无因次质量烧蚀率B与材料中C元素、Si元素的质量分数及温度、压力有关。在同样条件下,C/SiC材料主动氧化烧蚀速率大于C/C复合材料烧蚀速率。     

双脉冲固体发动机喷管传热烧蚀特性

为了研究双脉冲固体发动机喷管的传热烧蚀特性,由燃烧室压强及发动机推力试验曲线得到了喷管喉径的瞬变值,由FLUENT流体计算软件进行流固耦合传热烧蚀计算,得到了喷管瞬态温度分布、绝热材料热解炭化情况及碳/碳(C/C)喉衬瞬态烧蚀率,分析了脉冲工作过程及脉冲间隔时间对喷管传热烧蚀的影响.计算结果表明,脉冲工作过程中,绝热材料热解线、炭化线向材料内部扩展,喉衬烧蚀率不断增大;脉冲间隔时间内,喷管材料内部的导热使各处温差减小,温度趋于一致;第一脉冲的传热烧蚀与脉冲间隔的材料导热使第二脉冲工作时喉衬整体热沉小、内壁初始温度高、表面粗糙度大,从而导致较高烧蚀率.      

气相环境下EPDM绝热材料双区体烧蚀模型

针对气相环境下EPDM绝热材料的烧蚀行为建立了双区体烧蚀模型,着重考虑了沉积反应、气流剥蚀和膨胀现象。多孔介质区和固体区分开求解,采用交界面温度耦合的数值处理方法。对气相环境下的烧蚀实验开展了数值计算,分析了影响炭化层孔隙结构、质量烧蚀率的主要因素,计算结果与实验结果吻合较好。计算还获得了炭化层内烧蚀气体流速的量级是毫米到厘米,相对压强的量级是103～104Pa以及相对压强的分布情况。     

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。