扩缩管充分发展层流的强化传热场协同分析

采用二维轴对称不可压缩层流N-S方程,利用有限体积方法和SIMPLE算法,在雷诺数100～1300范围内,对轴对称周期性扩缩管的充分发展层流流动和传热特性进行了数值模拟,重点研究了不同雷诺数、几何外形与换热强度的关系,并利用场协同理论对计算的结果进行了分析,获取了层流态下扩缩管对流换热强度随雷诺数、几何尺寸变化的规律,对进一步研究扩缩管换热问题、探讨强化传热理论和发展换热技术均有实际意义.     

CSTS返回舱气动布局研究

乘员空间运输系统CSTS是欧洲正在研发的可执行近地轨道和月球轨道任务的下一代载人航天器。以CSTS返回舱为研究对象,采用正交试验设计思想,布置四因素三水平的正交数值试验,分析返回舱外形的主要几何参数对气动性能的影响规律,优选具有最大升阻比的气动外形。基于优选的外形,讨论质心位置配置对配平升阻比、静稳定性的影响规律,并分析气动性能对质心位置的敏感性,给出CSTS返回舱气动布局设计建议。     

高超声速飞行器气动布局和轨道优化研究(英文)

提出了高超声速飞行器参数化模型,并在此基础上通过快速、高效的工程方法开展了初步的气动力计算。以类HTV-2布局为对象,开展了以升阻比和容积率为设计目标的气动布局优化研究;以类X-37布局为对象,开展了以航程和驻点总加热量为设计目标的弹道优化设计。采用加权求和的方法求解多目标优化问题。研究表明,通过优化可获得设计目标权重取不同值时的优化结果,各优化结果具有明显的不同,具体将哪一个优化结果作为最终的选择,主要依赖于设计者的需求。     

热/力耦合作用下基于应力分析的冰破坏准则

根据飞机热除冰的物理过程,考虑外部空气动力和蒙皮表面加热的作用,建立了NACA 0012翼型前缘冰层应力计算模型。采用有限元方法和平面三角形单元对控制方程组进行了求解,获得了外部空气动力和蒙皮表面加热对冰层黏附界面应力的影响规律。研究表明:蒙皮表面不加热时,来流速度影响了黏附界面应力的强度,来流攻角影响了黏附界面应力的分布,冰-蒙皮间黏附界面切应力最大值随来流速度呈近似线性增大趋势,但外部空气动力很难造成冰层破坏。蒙皮表面加热时,冰-蒙皮间黏附界面的耦合应力和冰层内部的主应力随着热流密度的增大而增大,很容易超过剪切强度,这是造成冰破坏的关键因素。耦合冰-蒙皮剪切强度随界面温度的变化关系,初步建立了基于应力分析和热/力耦合作用的冰破坏判断准则。外部空气动力产生的界面应力和蒙皮表面加热产生的界面热应力之和,必须大于与蒙皮表面温度相关的剪切强度,则冰层发生破坏,破坏位置是耦合应力超过剪切强度的区域。      

气动力/热与结构多场耦合试验模型方案初步设计

以多渠道、多机制交叉耦合为热防护结构特点的新一代高超声速飞行器必须采用气动力/热与结构多场耦合计算方法进行研究。目前,国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制,国内的中国空气动力研究与发展中心(CARDC)也已自主研发了热环境/热响应耦合计算平台(FL-CAPTER)。为验证多场耦合计算平台所用方法的有效性和计算结果的准确性,设计并开展气动力/热与结构耦合的地面试验具有十分重要的意义。本文结合气动力/热与结构多场耦合试验设计需求,以现有材料和设备能力为依托,开展了试验风洞选取、模型尺寸估算、模型材料选择、模型气动设计与模型结构设计工作。初步研究表明,模型支撑结构附近迎风面局部高温热膨胀将有利于模型前体结构产生可观的整体变形量。本文以此设计了带压缩拐角的二级压缩面结构模型,通过短时间不锈钢模型验证试验和计算对比分析初步验证了模型设计的可行性,并以此为基础预测了高温合金模型的试验结果。为下一步开展高温合金长时间风洞试验奠定了技术基础。     

电热除冰的热力耦合特性及其对冰层的影响研究

采用计算和实验相结合的方法,初步研究了电热除冰过程中的热力耦合特性及其对冰层的影响.在电加热条件下,耦合外部气动力载荷的作用,采用有限元方法计算了不同热流密度下表面冰层和蒙皮间界面法向和切向应力的分布,比较了加热/不加热条件下界面法向和切向应力分布的差别,研究了冰层最大主应力随热流密度的变化规律.研究发现,电加热条件下,在表面冰层融化前,热力耦合特性将造成冰层内部应力的显著增加,从而 造成冰层局部区域的破裂,加速冰层的破坏.同时,设计的原理性实验结果验证了热力耦合特性对冰层的破坏影响.研究结果对于电热除冰理论和除冰技术的发展有现实意义.     

过冷水滴凝固机理及凝固组织特征

针对飞机过冷水滴结冰的精细化预测需求,基于相变热力学与相变动力学相关理论,采用示差扫描量热法（DSC）、结冰风洞试验及微结构测试相结合的方法,研究了过冷水滴凝固过程的热力学机理及凝固组织特征。基于示差扫描量热法,研究了冷却速率及形核条件对结晶凝固特性的影响规律;基于结冰风洞试验开展了不同温度条件下冰相的宏观形貌及微结构特征研究。结果表明,过冷条件及冷却速率是影响过冷水滴结晶速率及结晶完善程度的重要因素。降温速率越大,结晶速率常数增大、结晶速率相应提高。同时,结晶峰变宽,结晶初始温度向低温方向移动,过冷效应相对显著;反之亦然。过冷度及冷却速率对冰相的宏观及微观形貌均有着重要影响。过冷度越大则相同时间内冷却速率越大,晶体生长过程越不充分,晶体不规则程度相对较高,同时晶粒密度变大、尺度变小,冰相表观透明度相对降低;反之,过冷度越小,则晶粒密度变小、尺度变大,冰相表观透明度相对较高。异相形核条件对加速结晶过程有重要促进作用,晶种的存在可有效加速二次结晶的触发,使过冷效应显著减弱。相关研究可为飞机结冰速率、冰相物理特征及冰形宏观形貌的精细化预测提供参考。     

飞行器热防护结构的相似准则问题研究

高速飞行带来的气动热与热防护问题是制约高速飞行器系统提高技术水平和能力的一个主要技术瓶颈。在飞行器结构设计过程中,对飞行器结构进行考核试验必不可少。受风洞设备试验能力限制,试验模型尺寸、来流条件等与实际飞行通常存在较大差异,要在试验中完全模拟实际飞行环境、温度和应力状况无法做到。对飞行器进行缩放处理后进行模型的风洞热结构考核,并通过相似准则获得真实结构的温度/应力分布特性,为飞行器热防护设计提供支撑有着迫切需求。本文通过热传导方程和热弹性动力学方程组,对其中的模型相似参数进行讨论,并根据模型试验边界情况进行了讨论研究。提出了飞行器热防护结构地面考核试验的相似准则,并建立了不同试验类型情况下需要遵循的相似准则条件。该相似准则体系具有较大的灵活度,同时具有很高的实用价值。     

电加热过程的冰脊形成实验研究

利用结冰风洞设备和电加热装置,采用实验的方法研究了不同来流速度、环境温度和加热功率对冰脊形成的影响.研究表明:随着来流速度、加热功率的增加,冰防护区长度增加,冰脊往下游推后,而随着环境温度的降低,冰防护区长度减小,冰脊往上游靠近.冰脊的生长规律是从冰防护区外下游某位置开始冻结,逐步往冰防护区发展,从而为电热除冰系统加热模式的选取和传热特性的优化提供了实验依据.     

薄膜电阻温度计原理性误差分析及数据处理方法研究

薄膜电阻温度计是高超声速测热试验中一种常用的传感器,多用于激波风洞中.改进薄膜电阻温度计测热数据的后处理方法,分析其原理性误差,提出修正方法,可以进一步提高热流测量精度,为防热设计提供可靠数据.应用三维热传导理论,考虑热流和温升的耦合影响,计算了气动加热条件下薄膜电阻温度计结构温升情况,得到了铂层内的温度分布规律,并与一维半无限简化理论得到的薄膜电阻温度计表层温度相互对比,得到了模型简化带来的原理性误差;建立了由表面温升计算表面热流的导热反问题计算方法,与经典的Cook-Felderman处理公式和热电模拟网络处理方法相互对比,提出了修止热流值的方法,为提高热流测量精度提供了一种可行的手段.