局部催化特性差异对气动热环境影响的计算分析

高温气体非平衡效应及其壁面催化效应对高超声速飞行器气动热环境造成显著影响,是当前高超声速飞行器气动热环境预测和热防护设计的关键问题之一。考虑高温空气离解与电离等化学反应、气体分子热力学激发、流动中的非平衡效应和壁面催化效应,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程和壁面处质量、能量平衡关系,完善了高温气体热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法和计算程序,采用典型算例进行了考核验证。在此基础上,开展了不同条件下高超声速飞行器热化学非平衡流场气动热环境数值模拟,分析局部催化特性差异对气动热环境的影响。研究表明：所建立的高超声速飞行器热化学非平衡流场有限催化气动热环境数值计算方法及程序,其数值模拟结果与飞行试验、文献符合;局部催化特性差异会导致热流跳变,其热流跳变量与催化特性差异量、材料分布方式等有关;催化特性差异较大时,局部区域热流可能远远高于飞行器全表面完全催化的热流结果,此时将飞行器在全表面完全催化（FCW）和完全非催化（NCW）条件下的数值模拟结果作为实际飞行过程中表面热流的上、下限这一简化处理方式,是不可取的。     

高焓化学非平衡流条件下C/SiC复合材料的催化性能

碳化硅陶瓷基复合材料（C/SiC）成为最有希望满足临近空间高超声速飞行器热防护要求的耐高温关键材料之一,其在高焓化学非平衡流条件下的催化性能是评估新一代高超声速飞行器表面气动热载荷,热防护系统精细化设计的关键参数。基于1 MW高频等离子体风洞,采用已建立起的防热材料催化特性试验测试方法开展了C/SiC材料在驻点压力分别为1.0、1.8、3.3和6.0 kPa,焓值为19.3~35.9 MJ/kg范围内的高焓离解空气环境下,在表面温度为1 453~2 003 K范围内的表面催化反应复合效率随表面温度和表面原子压力的变化关系研究。试验结果表明：C/SiC材料在高温条件下的表面催化复合效率应该同时被定义为表面温度、驻点压力和原子分压的函数。根据试验所得到的催化数据,计算了采用C/SiC作为钝头体材料的美国某典型飞行器（飞行高度H=73 km,飞行速度U=6.478 km/s,钝头体半径R_n=410 mm）的气动热环境参数,获得了考虑完全催化和有限催化条件下飞行器表面温度变化历程,结果进一步验证了飞行器热防护系统所承受的气动热载荷以及表面温度响应在很大程度上受到防热材料表面催化特性的影响。     

高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究

为了准确预测高超声速飞行器面临的严峻气动热/力环境以及结构的热力响应,发展了高超声速流动与结构传热耦合框架。采用分区求解方法,通过耦合界面的实时数据传递,实现了基于Navier-Stokes方程的高超声速化学非平衡计算流体力学（CFD）求解器与结构的热力全耦合有限元法（FEM）求解器的多场耦合计算,建立了高超声速飞行器的多场耦合数值分析方法。首先对经典高超声速圆柱绕流实验进行了耦合计算,结果与实验值吻合良好。然后针对典型的超高温陶瓷（UHTC）材料的耦合传热问题进行了数值研究,考虑热传导效应对气动热环境和结构热响应预测的影响,结果表明对于复杂外形且热导率相对较高的UHTC材料,结构内部热传导对热环境和表面温度分布的影响不可忽略。最后针对UHTC材料热物性（比热和热导率）非线性对高超声速流动传热过程的影响进行了研究,结果表明当比热和热导率处于合理的误差范围内时,材料表面温度响应对其变化并不敏感。     

壁面催化效应对高超声速气动热影响研究

高超声速飞行器壁面催化效应会导致激波层中原子在壁面处复合释热,加剧周围气动热环境。针对高超声速流动壁面催化特性,选择不同飞行马赫数及高度条件,采用完全催化和非催化两种条件对球锥模型壁面热流率进行数值模拟计算,研究壁面催化效应对气动热的影响规律。结果表明,固定飞行高度时,壁面催化效应对气动热的影响随马赫数增加而加强,Ma=25条件下驻点处完全催化与非催化热流比值高达1.92;固定飞行马赫数时,在50km高空以上壁面催化效应对气动热的影响随高度增加而减弱;壁面催化效应不仅会影响壁面附近的流场特性及组分分布状态,而且对整个激波层都有一定的影响作用。     

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

高超声速飞行器热结构设计分析技术研究

综述了国内外高超声速飞行器结构热设计分析技术的进展,探讨了计算气动热力学应用于高超声速飞行器结构设计的能力与局限性的现状,提出并讨论了高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势:(1)高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术;(2)流-热-固多物理场耦合机理模型技术;(3)流-热-固多场耦合计算分析技术;(4)高超声速飞行器热防护结构设计技术。     

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。     

电离对高超声速稀薄流飞行器气动热影响

将电离反应模型扩展到（direct simulation Monte Carlo,DSMC）方法中,研究了电离反应效应对高超声速稀薄流飞行器气动热的影响特性.针对稀薄流场中电子出现带来的实际困难,引入“捆绑法”思想处理电子在流场中的运动,并给出了电离反应模型及电离反应处理方法.在以RAM-C Ⅱ飞行器外形为例对增加了电离反应的DSMC代码进行验证的基础上,以“星尘号”探测器外形为研究对象,针对不同飞行高度下5组元混合气体模型（无电离）和11组元混合气体模型（含电离）的化学非平衡流动开展了数值模拟,细致分析和对比了电离反应效应对探测器气动热的影响规律.研究结果表明:采用的电离反应处理方案能够模拟带电离反应的高超声速化学非平衡稀薄流动.在飞行高度为60km时电离反应对探测器气动热的影响最为强烈,使探测器的驻点热流密度降低了5.12%,电离反应对探测器气动热的影响随气体稀薄程度增加而减弱.      

火星探测器气动热环境和气动力特性的数值模拟研究

针对探测器进入火星大气过程中的高温气体非平衡效应及其气动热环境和气动力特性的精确预测问题,考虑火星大气高温混合气体的化学反应、束缚电子能激发效应、分子振动能激发效应和非平衡效应,以及不同表面催化特性和表面温度条件的影响,建立了数值模拟热化学非平衡流场的计算方法,并通过与平头圆柱试验模型和MESUR火星探测器的试验与计算数据对比分析,验证了计算方法的可行性与有效性,然后对典型火星探测器的气动热环境和气动力特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:1)对于本文的计算状态情况,火星探测器流场中化学非平衡效应非常严重,存在一定的热力学非平衡效应;2)热力学模型、化学反应模型和表面催化特性对气动热计算有着重要影响;3)气体模型对气动力特性的预测影响较大,表面温度条件和表面催化特性对气动力系数的计算影响较小。     

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。     

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。     

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。     

Prediction of shock-layer ultraviolet radiation for hypersonic vehicles in near space

A systemic and validated model was developed to predict ultraviolet spectra features from the shock layer of near-space hypersonic vehicles in the ‘‘solar blind" band region. Computational procedures were performed with 7-species thermal non-equilibrium fluid mechanics, finite rate chemistry, and radiation calculations. The thermal non-equilibrium flow field was calculated with a two-temperature model by the finite volume technique and verified against the bow-shock ultra-violet(BSUV) flight experiments. The absorption coefficient of the mixture gases was evaluated with a line-by-line method and validated through laboratory shock tube measurements. Using the line of sight(LOS) method, radiation was calculated from three BSUV flights at altitudes of 38,53.5 and 71 km. The investigation focused on the level and structure of ultraviolet spectra radiated from a NO band system in wavelengths of 200–400 nm. Results predicted by the current model show qualitative spatial agreement with the measured data. At a velocity of 3.5 km/s(about Mach11), the peak absolute intensity at an altitude of 38 km is two orders of magnitude higher than that at 53.5 km. Under the same flight conditions, the spectra structures have quite a similar distribution at different viewing angles. The present computational model performs well in the prediction of the ultraviolet spectra emitted from the shock layer and will contribute to the investigation and analysis of radiative features of hypersonic vehicles in near space.     

过渡领域高超声速圆柱绕流直接模拟

本文用直接模拟蒙特卡罗方法模拟了再入速度为７．５ｋｍ／ｓ，高度分别为８０、８５、９０ｋｍ，物壁是完全漫反射有限催化壁的圆柱绕流。在８０ｋｍ考察了壁面催化率的影响。     

四种飞行器绕流的三维DSMC计算与传热分析

在地球大气层与火星大气层中,使用自己编制的DSMC(direct simulation Monte Carlo)源程序完成了四种飞行器(即Apollo,Orion,Mars Pathfinder以及Mars Microprobe)高超声速穿越稀薄气体时的三维绕流计算,给出了上述飞行器42个典型飞行工况(其中包括在地球大...     

含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场特性数值模拟

针对高超声速飞行器的烧蚀现象,采用Newton迭代的空间推进方法,数值求解化学非平衡的抛物化Navier-Stokes(PNS)方程.以黏胶基碳布-氨酚醛树脂为烧蚀材料,建立了含碱金属杂质的18组分33反应的化学反应模型,计算了小钝锥体的壁面温度,并和现有文献结果进行对比验证.在此基础上,对含碱金属杂质的高超声速烧蚀流场进行了模拟,深入分析了含碱金属杂质的烧蚀反应对流场温度、压力和电子数密度的影响.结果表明:烧蚀反应使得流场温度较非烧蚀情况增加了10%~15%;考虑碱金属杂质Na后,流场电子数密度增大了1~2个数量级.