高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究

针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题,基于流场的非平衡Navier-Stokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程,考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应,建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法,完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH_Flow)。在表面材料为碳-碳(C-C)条件下,对飞行高度为65km和飞行速度为8,10km/s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km/s的球锥模型,开展了表面温度分布与气动热的耦合计算,验证了计算方法和计算软件,分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明:表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响,在气动热环境的预测中,不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响,还要考虑表面温度分布的影响,最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法,以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此,需要发展完善非平衡流场/表面催化和烧蚀/热传导温度场(气/表/固)的计算模型、耦合求解技术和计算软件,实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。     

高超声速气动热预测技术及发展趋势

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一。对高超声速气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨。首先,简要回顾了国内外高超声速气动热理论预测及地面实验技术的发展历程;在此基础上,结合典型外形的计算与风洞试验结果的比较,重点介绍分析了气动热工程计算方法、数值模拟方法、气动热风洞试验设备的模拟能力及目前实验测试技术的研究水平;最后,对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论,提出了气动热预测技术应研究解决的问题。     

发动机动力模拟风洞试验中的空气桥技术

介绍了发动机动力模拟风洞试验中的空气桥设计技术和影响修正方法.通过自由度分析,选择了合理空气桥布局,采用有限元方法对空气桥关键受力梁进行了优化,建立了空气桥天平一体化数值模拟技术,使得空气桥和天平刚度更加匹配.通过这些设计及优化使得空气桥的作用力最小,并具有较强的克服压力影响、温度影响的能力.通过试验建立了空气桥附加刚度影响、内部压力影响、温度影响和内部流量影响的修正方法,进一步减小了空气桥对天平的影响.在8m×6m低速风洞进行了某大展弦比飞机全模涡扇动力模拟器(TPS)短舱动力模拟试验.试验结果重复性好,阻力系数精度达到0.0003,和相关文献吻合.这表明空气桥技术是成功的,满足了TPS短舱动力模拟试验要求.      

7150铝合金热变形行为及微观组织

采用Gleeble热模拟机进行热压缩实验,研究7150铝合金在变形温度为300~450℃、应变速率为0.01~10s-1条件下的变形行为,采用Zener-Hollomon参数法构建合金高温塑性变形本构方程,并对变形后的微观组织进行分析。研究表明:7150铝合金的流变应力随应变速率增大而增大,随变形温度增大而降低。该合金热压缩变形的流变应力行为可用双曲正弦形式的本构方程描述,其参数A为4.161×1014s-1,α为0.01956 MPa-1,n为5.14336,热变形激活能Q为229.7531k J/mol。随着温度升高和应变速率降低,动态再结晶逐渐取代动态回复成为合金的主要软化机制。     

基于DDES的有／无舱门腔体气动噪声仿真分析

采用延迟分离涡仿真（ DDES）的方法研究了空腔和带有舱门的腔体的气动噪声特性。仿真在自由来流M＝0．85下,长宽深比值为5：1：1的矩形开放腔体展开。空腔仿真的声压级幅值结果与试验数据相比误差在4％以内,频率位置的预测较好。 DDES方法对于气动噪声问题具有很好的仿真准确性。空腔仿真结果和带有舱门的结果对比后表明,舱门迫使剪切层气流更多的撞击后壁进入腔体内部,使腔体内部尤其是中部压强波动增大,声压级在低频部分增量显著,达到了5 dB左右。     

复合材料副翼典型结构件的VARI工艺模拟及试验验证

在复合材料液体成型工艺过程中,通过计算机软件的模拟研究,可以预先判断树脂在增强体中的流动形式和获得树脂的注模时间以及注模压力,进而为实际成型工艺提供参考设计。本文利用PAM-RTM模拟软件对复合材料副翼典型结构件的树脂流动过程进行了模拟计算。根据达西定律推导出树脂在增强纤维中一维流动渗透率计算公式,分别对增强纤维、缝线纤维进行了渗透率测试,在此基础上对渗透率数值进行了修正。利用渗透率修正值采用不同的流道设计方案对树脂注模过程进行了模拟研究,根据模拟结果最终选择合理的注射方式和流道布局。对所选方案进行了工艺试验验证,并对结构件进行了超声无损检测。结果显示:理论充模时间和试验充模时间基本一致,结构件没有内部缺陷,树脂填充完全,模拟工艺计算有效。     

二元双喉道射流推力矢量喷管流动参数影响的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同流动参数对二元双喉道射流推力矢量喷管(Dual-throat fluidic Thrust-vectoring Nozzle,DTN)内流特性和推力矢量控制效果的影响。结果表明,DTN在非推力矢量情况下,NPR在3~4范围时,推力系数较大,达到0.968,而流量系数较小,仅为0.93;NPR再增大,推力系数迅速下降。在推力矢量情况下,落压比一定时,随着次流流量比的增加,推力矢量角增加,而流量系数、推力系数、推力矢量效率减小;次流流量比一定时,随着落压比的增加,推力矢量角减小,系统推力系数先增加后减小,流量系数略微增加。     

小展弦比飞翼标模雷诺数影响数值模拟研究

采用数值模拟方法开展小展弦比飞翼标模的雷诺数影响研究。使用自行研制的多块对接结构网格亚跨超声速流场解算器程序Mbflow,计算了试验雷诺数、二倍试验雷诺数和飞行雷诺数等三种雷诺数情况下小展弦比飞翼标模的流场。通过对计算结果的分析研究,得到了不同马赫数(Ma=0.2、0.8和1.5)和攻角情况下雷诺数对小展弦比飞翼标模的气动特性和流场特征的影响规律。小攻角情况下,雷诺数主要影响摩阻的大小;而大攻角时,雷诺数对压阻也有明显影响。在亚声速时,雷诺数主要影响分离涡的起始位置和强度;跨声速和超声速时,雷诺数还会影响到激波的位置和强度。进一步研究了小展弦比飞翼标模的自准区雷诺数问题,发现试验雷诺数接近于小展弦比飞翼标模的自准区雷诺数。     

小展弦比飞翼布局新型嵌入面航向控制特性研究

在小展弦比飞翼布局机翼外侧上/下表面分别设计了一组中等后掠角嵌入面,并对其跨声速时的航向控制效果及其流动机理进行了风洞试验和数值模拟研究。计算和试验结果表明,上嵌入面可在小迎角范围通过轴向力和侧向力的共同作用提供稳定的偏航力矩,实现航向控制;当α6°时,由于嵌入面逐渐处于前缘涡的影响范围内,在前缘涡的吸力作用下,嵌入面航向控制效果迅速下降,直至失效,且进行航向控制时存在不利的滚转耦合;下嵌入面可在全迎角范围内提供稳定的偏航力矩,实现航向控制;通过在小迎角范围内使用上嵌入面,α6°时使用下嵌入面,不仅可在全迎角实现航向控制,且不影响飞机的隐身性能。     

超声速平板边界层旁路转捩直接数值模拟

采用具有七阶精度的有限差分格式和基于Euler方程组的特征边界条件,通过直接数值模拟研究了由固定相位周期性吹吸扰动诱导的、Ma∞=2.25、Re∞=2.5×107/m(635 000/inch)空间发展平板边界层的旁路转捩过程,并建立了相应的直接数值模拟数据库。数值结果表明:扰动相位的随机性并不是转捩发生的必要条件,固定相位周期性吹吸扰动即可诱发边界层的转捩;当采用固定相位时,随着吹吸频率的增加,转捩位置向下游移动;当扰动频率足够大时,周期性吹吸无法诱导出边界层的转捩。随后,在所得数据库中提取了速度及热力学变量的平均值,与已有的数据库和理论分析吻合良好;速度脉动均方根与公认的不可压缩平板边界层实验基本吻合;热力学变量脉动均方根和雷诺应力与已有数据库的统计结果及实验数据具有相同的分布特征。对比发现,不同转捩的诱导因素对平均转捩位置和热力学变量均方根、雷诺应力等高阶统计量的影响较大。