高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发

新一代高超声速飞行器流-热-固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流-热-固耦合问题的发展历程与现状。从物理含义出发,对高超声速流-热-固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流-热-固耦合问题的研究进展,特别是流-热-固多场耦合分析策略/方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面,对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境/热响应耦合计算分析平台(FL-CAPTER)进行了阐述。最后,对高超声速飞行器流-热-固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。     

大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计

针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。     

掠叶片进口流场中周向不均匀性的影响

为模化并分析迎角改变时掠叶栅流场中周向不均匀性的影响,将1种应力输运模型整合到通流模型中,并应用于某掠叶栅的计算。通过给定掠叶栅不同来流迎角开展3D数值模拟和通流计算,结果表明:主要由无黏叶片力所诱发的周向不均匀性会重新组织叶片通道的进口流场,改变进口气流角,从而引发掠叶栅进口径向平衡的重新分布,随着迎角的提高,这种周向不均匀性将加强,其对进口流动的影响也会进一步增大。加入该应力输运模型后,通流模型能够很好地预测周向脉动源项,在前缘前其计算值与3D计算结果的偏差在20%以内,对叶片通道进口气流角改变量的预测精度提高了25%以上,对进口流动径向平衡的描述精度提高了60%以上。     

掠叶片进口流动的流线曲率通流模型

掠叶片作为一项设计技术,在当前轴流风扇/压气机的设计中已被广泛采用,对掠叶片的流动机理研究也被广泛而深入地开展。近年来,多项研究表明掠能够改变叶片的攻角,这种攻角的改变是由掠造成叶片进口的径向平衡发生变化、轴向速度重新分布而产生的。提出了一种用于S2流线曲率法的掠叶片的进口流动模型,不再假设叶片进口周向流动均匀,因而能够计入由于叶片掠而产生的进口径向平衡的变化。将此模型应用到亚声掠转子叶片的设计中,结果表明该模型能够比原始方法更准确地计算轴向速度和攻角,从而提高了设计精度,并定量地分析了叶片掠对进口流动压力平衡的作用机理。     

传感器表面温度对热流测量的影响

高超声速飞行器热环境测量数据一直是防热设计和考核的基准数据,也是热环境计算方法的考核性数据,其准确性至关重要。针对热流测量中遇到的传感器表面和周边防热材料温度差异而导致的测量数据偏差问题,采用基于Navier-Stokes方程的自研程序开展了详细的气动热环境数值模拟,得到了不同温差条件下传感器表面热环境的分布规律,并根据场协同理论分析了局部热流变化的成因机理,研究了影响热流变化幅值的主要因素。结果表明：①当传感器和其周边材料的温度存在一定的差异时,导致该区域近壁面流场中的压力、密度等特征量梯度增大,改变了传感器当地的法向速度和温度分布,造成了局部热流的剧烈变化。②相同来流马赫数和高度下,来流攻角主要影响法向速度的分布,从而影响气动加热量,攻角越大,相同温差下加热量上升的幅度越小;来流总温主要影响法向温度梯度的分布,从而影响气动加热量,来流总温越大在相同温差条件下加热量上升幅度越小。所开展的研究工作可加深对传感器局部热环境分布规律的认识,避免对测量热流的误判,提升数据判断和分析的可靠性。     

国外并联式涡轮基组合循环发动机技术发展途径浅析

为借鉴国外并联式涡轮基组合循环(TBCC)发动机技术研究经验,从飞行器使用需求出发,分析了并联式TBCC发动机面临的技术挑战,并从高速涡轮基技术、冲压发动机技术和组合技术三个方面,梳理了美国典型并联式TBCC发动机的研发计划。在此基础上,分析并提出了并联式TBCC发动机技术发展途径:拓展涡轮基工作马赫数上限和冲压发动机工作马赫数下限以实现并联式TBCC发动机模态转换,采用射流预冷技术扩展现有涡轮工作包线是短期内实现性较好的技术验证途径,开发高速涡轮发动机技术是未来发展的必然趋势。     

溶胶共凝法制备准连续密度梯度SiO2气凝胶

针对气凝胶在航空航天领域的应用需求,为了进一步拓展单一密度气凝胶的应用范围,对密度梯度SiO2气胶的制备进行了研究.采用自建密度梯度制备成型装置,以正硅酸乙酯为有机硅源,经溶胶共凝工艺,结合CO2超临干燥技术,获得密度范围在60~160 mg/cm3的准连续密度梯度SiO2气凝胶.采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X线相...     

飞机结冰冰型微结构特征的分形研究

基于分形几何的基本理论,采用结冰风洞实验与金相显微实验相结合的方法,对飞机结冰冰型的微结构特征进行了研究.采用计盒维数法对冰型微结构的分形维数进行了计算,获得了不同条件下前缘结冰及溢流结冰冰型的分形维数,并建立了冰型分形维数与结冰条件之间的关系.研究表明,来流温度和速度对冰型的微结构特征及其分形维数有着重要影响.来流速...     

某小型离心压气机扩稳优化设计

针对某小型离心压气机在低转速下失速裕度偏小的问题,对该离心压气机的离心叶轮进行了改型优化设计,以扩大其稳定工作范围.改型设计用的是轴流/离心压气机通用叶片造型设计方法,该方法以二维通流设计计算为基础,配以任意空间曲面造型方法,并通过三维CFD(计算流体动力学)计算检验改型设计的结果.通过修改通流设计控制参数和造型控制参数,成功的实现了对离心压气机子午流道和离心叶轮三维叶片的优化设计.结果表明,对该离心叶轮的改型设计,不仅使失速裕度得到明显提高,满足了设计需求,同时压气机整级的性能也得到了改善.      

气动热参数辨识原理性实验初步研究

气动热参数辨识问题实质上是热传导逆问题,介绍了热传导逆问题原理性实验的初步情况.首先介绍了实验原理和实验装置,利用电加热器对碳钢试件加热得到了测温点上的温度变化历程,然后采用顺序函数法对表面热流进行了辨识,结果表明:考虑辐射效应后,热流辨识结果位于标称热流密度值的±15%误差带内.热流辨识结果与标称值基本吻合,既证明了热传导逆问题求解算法的可行性,也初步验证了实验装置的有效性.