基于Stereo Lithography文件和有限元法的在轨航天器关键部件热计算

针对STL(Stereo Lithography)文件在传递复杂几何实体模型信息方面具有精度高的特点,提出了一种基于STL文件计算复杂结构角系数和外热流的方法。给出了有限元网格离散和边界识别方法。根据单元和节点的拓扑关系进行辐射换热计算。利用有限元法计算辐射换热角系数和外热流。最后利用有限元法计算航天器关键部件在轨的三维瞬态温度场,并进行了计算效率和误差分析。     

基于STL文件和有限元法的在轨航天器关键部件热计算

针对STL(stereo lithography)文件在传递复杂几何实体模型信息方面具有精度高的特点,提出了一种基于STL文件计算复杂结构角系数和外热流的方法.根据单元和节点的拓扑关系识别六面体网格边界单元并进行辐射换热计算.详细阐述了基于STL文件和有限元法进行复杂结构的角系数和外热流的计算方法.研究了导热-辐射耦合计算的有限元方法.最后利用有限元法计算航天器关键部件在轨的三维瞬态温度场.      

复杂结构角系数计算方法

推导了能束在辐射半球面上均匀分布的角系数计算公式.根据面元间的位置关系,把有限元和能束均匀分布法相结合计算复杂结构的角系数.采用三角形网格统一表示边界面并根据边界面网格进行角系数计算的遮挡判断.计算结果表明,方法的计算精度比有限元法和蒙特卡洛法高,计算效率比蒙特卡洛法高,遮挡判断方法准确高效.      

类天宫航天器迎风面积建模及变化特性分析

针对类天宫航天器复杂结构外形迎风面积的精确计算问题,提出了一种在轨飞行期间迎风面积的计算模型。该模型考虑航天器姿态变化和帆板转动因素,在航天器本体系下建立经纬度网格,将三维的投影方向矢量转化为二维的经度、纬度;基于图形学几何投影方法,对投影经度、投影纬度、帆板转角模型参数按照一定颗粒度离线穷举,计算各种参数状态的迎风面积,离线建立航天器迎风面积模型;轨道计算过程中,根据航天器在轨飞行模式确定该时刻的姿态和帆板转动角度,通过迎风面积模型插值获得迎风面积。应用该方法计算天宫一号长期在轨飞行阶段的迎风面积,对不同时间尺度的变化规律进行了分析,验证了方法的有效性。     

低轨载人航天器原子氧环境仿真分析技术

原子氧是影响低地球轨道航天器在轨性能的重要空间环境因素之一,其氧化性对航天器表面材料及舱外组件造成损伤,严重影响航天器在轨寿命。针对此问题提出了一种原子氧仿真分析方法,以此对长期低轨运行的载人航天器模型在轨期间表面遭受到的原子氧累积通量进行分析,仿真结果与NASA实测飞行数据比较,二者吻合很好。本仿真计算方法可用于低轨飞行器原子氧防护设计,仿真结果可作为试验依据。     

模拟飞机尾喷焰辐射传输的非结构有限体积法

有限体积法因其物理意义明确,在流动与传热的数值计算中有广泛的应用。在利用有限体积法求解辐射传输问题时,不仅能够保证在每一控制体内辐射能量守恒,还可以保证在每一个控制立体角内辐射能量守恒,因而使得模拟结果具有较高的精度;同时,非结构化网格技术是处理复杂几何形状物理问题的一种有效方法。本文编写了求解辐射传输的非结构化有限体积法程序,将计算结果与其他文献的算例进行了对比,证明了模型和程序的正确性,分析了各种因素对程序计算精度和计算时间的影响。在此基础上,将求解辐射传输的非结构化网格有限体积法程序集成到Fluent软件中,计算了飞机尾喷焰的温度场分布。     

三维分块非结构化网格上的可压缩流计算方法

提出了分块非结构化网格生成方法,通过子块划分、子块网格划分、整体网格拓扑连接生成可局部加密的分块非结构化网格,既具备了非结构化网格对复杂区域的处理能力,又避免了分块结构化网格块间信息传递的复杂计算过程.通过将密度修正值引入压力修正方程,发展了非结构化网格上可压缩流动的SIMPLE算法.对孤立翼型及透平叶栅的流动进行了数值计算,压力系数、速度、折转角的数值结果与已有的实验值吻合较好,验证了数值方法的精度.      

2.5D编织结构复合材料温度场特征研究

考虑到编织结构陶瓷基复合材料（CMC）在涡轮叶片等航空发动机高温部件应用时,材料内部编织结构特征会导致高温部件的温度场存在波动性。为了研究复合材料温度场的波动特征,以2.5D编织结构复合材料为例,分别建立了基于等效导热系数的均匀化平板模型和基于材料全尺寸细观编织结构的平板模型,计算对比了两种平板模型的温度场分布及内部热量传输特征,同时探究了材料内部编织结构的角度、纤维束轴向与径向导热系数比、纤维束与基体导热系数比等材料结构特征参数和热物性特征参数对材料表面温度波动的影响规律,并开展了编织结构平板的温度场测试实验。研究结果表明：与基于等效导热系数计算得到的平板温度场相比,基于全尺寸编织结构平板模型得到的温度场存在明显的波动特征,当平板内部平均温度梯度为25383K/m时,表面温度波动幅值达到12.41K,表面最高温度由906.96K增加到911.60K,并且在平板内部热量的传输方向沿着纱线发生明显的偏转。同时,随着纱线编织角度的增加,材料表面温度波动幅值下降,但表面的高温区域增加,沿着经纱轴向的温度波动频次增加。随着纤维束轴径向导热系数比的增加,材料表面的高温区域基本不变,温度波动幅值小幅下降,均匀性增强;随着纤维束与基体导热系数比的增加,材料表面的高温区域增加,温度波动幅值降幅较大,均匀性得到较大提高。在本文的研究范围内,当边界温度达到1600K时,基于等效导热系数的方法无法准确地预估复合材料的温度场。     

高阶辐射换热有限元算法研究

随着航空航天技术的发展,飞行器热结构所需承受的温度越来越高,辐射换热变得非常重要;当前大部分商业软件对于辐射问题的有限元计算方法还是基于一致表面温度和辐射热流假设,使得计算精度和网格密度的矛盾越来越严重.进行了选用高阶单元、采用高斯积分精确计算单元表面变辐射热流方法的研究,从而摆脱了一致表面温度和辐射热流的假设,使得在相同网格密度的情况下计算精度大大提高;同时,从包含辐射换热问题的有限元计算方程出发,采用与有限元数值计算时相同的积分方案,只在独立的积分点处计算辐射热流,克服了积分方法计算效率低的缺点.经与ANSYS的计算结果对比,应用辐射热流积分方法于高阶单元能大大提高计算精度;并且在相同计算精度条件下,此方法的计算效率更高,具有一定的实用价值.     

基于高阶物面近似的自适应间断有限元法欧拉方程数值模拟

将高阶间断有限元与网格自适应相结合,于非结构网格上求解二维Euler方程。将数值解多项式的高阶项贡献用人工粘性项系数的形式进行量化,网格自适应过程中以人工粘性项系数作为网格自适应的指示器。在系数达到设定的上限阀值的区域进行网格加密,在系数达到设定的下限阀值的区域将迭代过程中加密过的网格稀疏以减少网格量。所有自适应均在高阶曲线逼近真实物面的基础上进行,以保证数值结果的精度。典型数值算例结果与实验结果进行了对比,表明采用该自适应间断有限元法可以保证以尽可能小的计算量得到高精度结果。     

再入飞行器多层隔热结构优化分析

  针对可重复使用飞行器再入过程中热防护系统的复杂传热问题,采用有限元方法对可重复使用飞行器多层隔热结构(MLI)进行参数化求解,预测内部结构瞬态温度响应,对具4层反射屏的多层隔热结构进行优化设计,分析影响隔热性能的多个因素（如反射屏的分布,屏间纤维厚度和最上层反射屏与热边界距离）对隔热性能的影响规律,为多层隔热结构的优化设计提供相关参考。     

Calculation of high-temperature insulation parameters and heat transfer behaviors of multilayer insulation by inverse problems method

In the present paper, a numerical model combining radiation and conduction for porous materials is developed based on the finite volume method. The model can be used to investigate high-temperature thermal insulations which are widely used in metallic thermal protection systems on reusable launch vehicles and high-temperature fuel cells. The effective thermal conductivities（ECTs） which are measured experimentally can hardly be used separately to analyze the heat transfer behaviors of conduction and radiation for high-temperature insulation. By fitting the effective thermal conductivities with experimental data, the equivalent radiation transmittance, absorptivity and reflectivity, as well as a linear function to describe the relationship between temperature and conductivity can be estimated by an inverse problems method. The deviation between the calculated and measured effective thermal conductivities is less than 4%. Using the material parameters so obtained for conduction and radiation, the heat transfer process in multilayer thermal insulation（MTI） is calculated and the deviation between the calculated and the measured transient temperatures at a certain depth in the multilayer thermal insulation is less than 6.5%.     

工件淬火过程表面综合换热系数的测算

表面换热系数是温度场计算中一个重要参数,它的取值将直接影响到温度场计算的精度。为了得到表面换热系数与温度变化的关系,采用非线性估算法,编制计算程序,基于工件淬火过程的实测温度值,对工件在不同淬火介质中冷却过程的表面换热系数值随温度的变化进行了测算,得出了换热系数在冷却过程不同阶段的变化规律。     

航空发动机球轴承热分析

在动力学分析的基础上,对航空发动机高速球轴承进行了热分析。首先在润滑模型分析的基础上,对球轴承的生成热速率作了分析计算。通过对球轴承中复杂的传热关系研究,进而采用有限元法、系统平衡法和经验公式相结合的方法计算了球轴承系统的温度分布。在温度场计算中,对内热源的分配和边界条件的处理进行了深入研究。最后对某发动机主轴球轴承进行了计算,结果和606研究所提供的试验数据基本相符,其误差不大于百分之五。      

气冷叶片表面局部对流换热系数的数值计算

本文提出了联立求解二维可压缩边界层方程组和稳定导热方程的迭代法,从而修正了文献[1]假定物体表面温度等于来流总温的局限;同时提供了用这种方法计算气冷叶片表面局部对流换热系数的完整的FORTRAN程序。文中用近似积分法求解边界层方程组,用有限元素法计算叶片的稳定温度场。算例的结果与有关的理论及实验结果相接近。     

磁悬浮反作用飞轮热设计方法与实验研究

 作为新型航天器姿态控制执行机构,磁悬浮反作用飞轮工作在高真空环境下且转子完全悬浮,使得热量不易散出,故需要对飞轮进行温度场计算并进行热优化设计。为此,提出一种有限元与热网络模型相结合的优化热设计方法:首先利用有限元法计算温度场分布;然后对不符合温度要求的部件建立热网络模型,分析影响温度的因素,提出优化措施。该方法具有计算精度高、优化速度快的特点。将该方法应用于某样机的热优化设计中,使飞轮的最高温度由121.6 ℃降到了52.7 ℃。对经热设计前后的两台磁悬浮反作用飞轮的实验研究证明了热设计的正确性,从而为磁悬浮飞轮系统的结构设计和热设计奠定了基础。