疏导热防护的冷却机制

利用固体介质快速传导特性进行防热是疏导热防护的一个重要机制,但现有的固体介质在高热流梯度区会出现净热流为负的现象,即流向传导的阻塞效应,它会严重影响高热流区的热量向低热流区的快速传递.本文提出的增加固体介质的导热系数和采用高温热管冷却是两个可以有效解决传导阻塞问题的方案.通过数值模拟评估了这二种方案对解决流向传递的阻塞问题的有效性,给出了一些规律性的结果.     

磁控热防护系统在天地往返运载器上的应用仿真

磁控热防护技术在高超声速领域显现出广泛的应用前景。考虑高超声速流动磁流体力学控制涉及的等离子体生成机制、多电离组分导电机理以及电磁流动能量/动量输运机制,通过耦合求解电磁场泊松方程和带电磁源项的高温热化学非平衡流动控制方程组,搭建了高超声速磁控热防护数值模拟平台。结合美国航天飞机"哥伦比亚"号（OV-102）近似外形和5种磁场配置方案,较为系统地开展了磁控热防护系统在高超声速"滑翔返回式"天地往返运载器上的应用仿真研究。结果表明：搭建的磁控热防护仿真平台具备偶极子磁场、均匀磁场、螺线管磁场及多个磁场组合条件下复杂外形飞行器气动热环境数值模拟能力,其校验结果与文献或飞行试验数据符合较好;采用合适的磁场配置能有效降低航天飞机的表面热流,显著改善了航天飞机的气动热环境,典型状态的表面热流下降25%以上;局部磁场方向与流动方向的夹角,在一定程度上决定了洛伦兹力的强度和方向,对磁控效果的影响明显。     

基于POD方法的复杂外形飞行器热环境快速预测方法

使用CFD数值方法获得三维热环境数据库,利用本征正交分解对CFD数据库进行降阶处理,结合相应的基系数插值方法,快速预测出未知状态下满足精度要求的表面热环境参数。以Hermes外形为研究对象,建立热环境数据库,使用本文提出的方法预测未知来流状态下模型表面热流,并和CFD结果进行对比。结果表明,该方法可大幅提高计算效率,不损失预测精度。分析了数据库包络性对重构精度的影响。实现了沿给定弹道的三维热环境快速预测。该方法能够反映真实的热流空间分布特征,快速获得精确的激波干扰区热流,有力地弥补了工程算法的不足。     

二次进气流量比对固冲发动机燃烧效率的影响

采用k-ε湍流模型及单步涡扩散化学反应模型，对二次进气结构的固体冲压发动机补燃室的反应流场进行数值模拟，分析了：二次进气流量比对燃烧效率与温度场分布的影响：结果表明，在合适流量比下，采用二次进气后补燃室内燃烧效率明显提高，且温度场分布有利于内壁面热防护。     

多孔介质传热模型在多孔壁湍流中的适用性

为了考查不同的多孔介质传热模型在不同工况下的适用性,对带有高孔隙率多孔介质壁面槽道湍流及其传热进行了直接数值模拟研究。在多孔介质层外流体区域,通过有限差分方法求解不可压缩Navier-Stokes方程和温度对流扩散方程;在多孔介质层内,使用修正的Darcy-Brinkman-Forchheimer模型描述高孔隙率多孔介质阻力,以及分别采用局部热平衡（local thermal equilibrium, LTE）模型、局部非热平衡（local thermal non-equilibrium, LTNE）模型、理想金属（ideal metal foams, IMF）模型计算温度分布。通过对所得热场的统计特性的分析比较,探究了不同Biot数下水和空气两类流体介质的多孔介质传热模型的有效性。研究表明：LTE模型不足以准确预测金属泡沫多孔介质内传热问题,其等效导热系数因仅考虑孔隙率因素而低估了多孔介质层的传热能力;IMF模型在小比热容流体介质的算例中表现良好,可以代替LTNE描述多孔介质层内的传热,而在大比热容流体介质的算例中表现不佳,需要考虑比热容以及流固两相间的传热能力对预估的固体相温度分布...     

辐射与对流耦合加热下正十二烷液滴的蒸发特性

分别采用表面吸收与内部均匀吸收两种辐射模型结合液滴内部有限导热系数模型,数值研究了辐射-对流热环境中正十二烷液滴的蒸发特性.考虑了液滴与周围气流热物性以及液滴/气流相对速度的瞬态变化,获得了不同对流换热条件与辐射源温度下,液滴半径、温度及蒸发率的变化规律.比较了两种辐射吸收模型的预测结果差别,分析了热辐射对液滴蒸发的影响.结果表明,两种辐射吸收模型对液滴寿命预测结果的差别较小,但内部吸收模型能反映液滴表面的能量供给特点.当辐射源温度与对流气流温度相同时,热辐射对液滴蒸发的影响较小;当辐射源温度比对流气流温度高得多时,热辐射的影响很大.      

高速高温流场电子能非平衡的数值模拟

采用描述电子能非平衡的三温度模型,结合11组分空气的化学反应模型,对多种高速高温热化学非平衡流场开展数值模拟,并与描述电子能平衡的两温度模型结果进行对比,研究电子能非平衡对高超声速流场特性的影响。圆球弹道靶试验算例表明电子能非平衡不影响激波脱体距离。RAM-C II飞行器的4个飞行工况算例表明,尽管两温度和三温度模型结果存在差异,但二者电子数密度分布的趋势和量级接近,均可与飞行试验数据保持一致,其中三温度模型的预测效果更好。FIRE II飞行器极高温流场模拟结果显示,电子能非平衡几乎不影响飞行器表面的对流传热。     

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。     

翼型表面明冰的数值模拟

提出一种翼型表面明冰的数值模拟方法.基于欧拉两相流理论,建立空气、水滴两相流控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击;采用考虑了粗糙度影响的边界层积分法求解结冰表面的对流换热特性,基于经典Messinger模型提出明冰数值模拟的热力学模型;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,采用积冰法向生长假设生成积冰外形.对NACA 0012翼型在不同环境温度下的明冰冰形进行了预测,并与实验结果进行了对比.      

高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法

发展了一种无黏流场解与工程计算方法相结合的高超声速全机外形气动加热与结构传热快速计算方法。该计算方法结合了三维块结构网格无黏流场数值计算技术可处理复杂外形流动的优点与工程计算方法效率高的特点,将气动热的计算简化为绕飞行器的无黏外流(边界层以外)数值解和边界层内热流求解两个部分,同时耦合了防热结构传热计算模型、高温化学非平衡热效应估算方法以及弹道状态动态插值方法,可用于快速计算与分析三维复杂外形高超声速飞行器在弹道飞行状态下全机热环境参数、防热结构内温度场等随飞行时间的变化特性。以RAM-CⅡ、类Ⅹ-37B等典型高超声速飞行器为研究对象,在设定的飞行条件及热防护方案下,进行了气动加热与结构传热问题的求解,给出了全机表面热流密度与防热结构材料温度的时变特性。结果对比表明,所发展的方法具有快速、高效的特点,且计算精度可满足工程设计初期选型需求,可为高超声速飞行器的热防护系统初期设计及热环境特性快速计算分析提供技术支持。