喷管分离流流动-热-结构顺序耦合数值模拟及试验研究

针对大膨胀比喷管气流分离状态下喷管所受的复杂载荷,采用数值方法分析喷管结构.利用有限体积二阶迎风插值格式及SST涡耗散湍流模型,结合二层增强型壁面函数,求解N-S方程、热传导方程.采用流固耦合的流动与换热模型,流场与结构温度场互为边界条件交互数据,实现了流场解算与温度场解算的耦合数值分析.应用有限元方法对给定的温度场及压力载荷作用下的结构进行了瞬态静力分析,实现了流动-热-结构的顺序耦合.采用此计算模型对轴对称拉瓦尔喷管进行了数值模拟,发现在大膨胀比下喷管发生气流分离,经分离处的斜激波后气流温度梯度及压力梯度变化较大,导致该区域应力较大.为验证模型的准确性,开展了试验研究,测得的气流分离位置和计算得到的分离位置很好的符合,说明了计算方法的有效性.     

小卫星全被动热设计及其验证技术

结合实例对全被动热控设计的小卫星热控特点进行分析。热相对稳定及整星良好的等温化是实现全被动热控设计的有利条件。对于全被动热控设计的小卫星,尤其应关注设计细节,如外露表面、工艺差异等影响。对重要参数或者变化的不确定参数进行敏感性分析有助于把握设计的适应性。针对具有复杂构型的航天器,提出了试验外热流量化分析方法,解决了地面热试验时外热流模拟困难的问题,可避免地面试验外热流设计的盲目性。     

液体火箭发动机推力室喉部结构热疲劳寿命预估研究

为了准确预估液体火箭发动机推力室喉部结构的热疲劳寿命,采用热-力耦合方法对推力室喉部结构在整个循环加载过程中的变形进行数值模拟。以最危险的温度最高和变形最大处为考察点,在多次循环载荷下,综合运用循环疲劳和准静态疲劳理论,对数值计算结果进行分析,预估了结构的热疲劳寿命。研究表明:单次循环下,喉部结构寿命预估值最小,偏保守和安全,因而推荐工程设计和工程应用最优先参考。     

150 N气氧/煤油发动机涡流冷却技术试验

为探索百牛量级姿控发动机采用气氧/煤油涡流冷却推力室的可行性,开展了涡流冷却技术的试验验证工作。在理论分析和数值仿真的基础上,完成了150 N气氧/煤油涡流冷却推力室设计。数值仿真结果表明:内旋流区域占燃烧室直径D_c的87.8%,燃烧化学反应发生在39%～81%R_c的环形区域。经热试考核,燃烧室点火可靠,工作稳定,燃烧效率达0.91;形成了有效的气膜冷却,壁面和头部热防护可靠,充分验证了内外双漩涡结构的存在。     

神舟号飞船热设计

本文介绍了神舟号飞船的热控设计、研制过程及飞行试验结果,并对研制过程中出现的问题进行了分析。     

酚醛树脂基纳米多孔材料的制备及结构调控

酚醛树脂基纳米多孔材料（Phenolic Resin-based Nanoporous Materials,PNM）是满足新一代航天飞行器轻质、高效隔热需求的新型热防护材料,传统制备方法中需使用超临界干燥技术,制备周期长、成本高。本研究通过两步法,即先合成线性酚醛树脂,再进行溶胶-凝胶的方法,实现了常压干燥PNM的制备。系统研究了固化剂含量、固化温度和固化时间对材料结构的影响和调控作用,分析了影响材料收缩率和热稳定性的因素。结果表明,PNM的微观纳米结构的变化会影响材料干燥后的收缩率,制备大颗粒、大孔径的微观结构更有利于降低材料的收缩率。而PNM的热稳定性主要受交联反应过程形成的化学结构的影响,通过优化固化剂的含量可提高PNM的热稳定性。当固化剂含量为10%,固化温度提高至150℃,固化时间延长至48 h的条件下,获得的PNM有最高的热稳定性（900℃下的残碳率为54.2%）、最发达的孔结构（比表面积为264.0 m²/g、孔容为2.67 cm³/g、平均孔径为40.0 nm）和最小的收缩率（0%）。此PNM制备方法简单、性能优异,在未来航天飞行器上有广阔的应用前景。     

陶瓷基FGM材料线形变厚度圆板的热后屈曲

建立沿半径线形变厚度陶瓷基功能梯度材料(functionally graded material,FGM)圆板在热环境中后屈曲控制微分方程,采用打靶法研究陶瓷二氧化锆基变厚度圆板在温度场中的后屈曲行为,给出了均匀和非均匀升温场中变厚度圆板的热后屈曲平衡路径特性曲线,讨论陶瓷梯度指标和厚度变化系数对后屈曲行为的影响。数值结果表明:非均匀升温下FGM圆板的热临界载荷小于均匀升温下的临界载荷;径向厚度的变化并不会影响热临界载荷的值,但会影响到屈曲以后的平衡路径;中心挠度随变厚度系数的增加而增加。     

航空发动机法兰接触热阻特性实验研究

通过搭建法兰接触热阻实验台,在法兰间隙0～0.75 mm、螺栓拧紧力矩20～40 N·m参数范围内,测量不同材料机匣多个轴向位置的壁温来获得通过法兰的热流,得到法兰的接触热阻、单位接触热导。分析了法兰间隙、螺栓拧紧力矩对法兰接触热阻特性的影响。研究结果表明随着法兰间隙的增加,接触热阻呈线性增加,最大增加0.03 K/W,单位接触热导先迅速减小,后趋于平缓,最大降低了10 744.2 W/(K·m2),约94.5%;随着拧紧力矩的增加,接触热阻减小,最大降低了22.1%。     

预热温度对热障涂层表面裂纹形成的影响

先进航空发动机与燃气轮机热端部件的服役温度不断提高,对热障涂层性能提出了越来越高的要求。在涂层中引入一定密度的周期分布表面裂纹,可以同时提升其隔热性能和服役寿命,是一种极具潜力的先进热障涂层技术。然而,目前关于这种涂层中表面裂纹形成的力学机制研究尚不充分。以等离子喷涂热障涂层表面裂纹的形成过程为对象,发展了考虑热应力的多层结构剪切滞后模型,推导了表面裂纹形成前陶瓷层内应力场与位移场的解析解,获得了不同预热温度下陶瓷层内平均应力、平均应变能密度及总应变能随涂层厚度的演变规律,发现：在表面裂纹形成前,陶瓷层内平均应力和平均应变能密度不随其厚度改变,而总应变能随其厚度线性增大,这说明陶瓷层内总应变能是衡量能否在涂层中形成表面裂纹的关键参量;在其他喷涂参数不变的情况下,预热温度越高,表面裂纹越容易形成。本文阐明了预热温度对表面裂纹形成的影响,为实现高热障和高应变容限热障涂层的可控制备提供了理论指导。     

凹槽对涡轮叶片前缘换热特性影响的实验研究

为了探究带有凹槽造型的涡轮叶片前缘结构的换热特性,采用瞬态热色液晶技术研究了凹槽对涡轮叶片前缘外表面换热系数的影响,获得了不同主流雷诺数以及湍流度下涡轮叶片原始前缘结构及带两种不同深度凹槽的前缘结构外表面的换热系数分布数据,并采用努塞尔数评估对比了三种结构下的换热特性。实验结果表明：原始前缘结构存在高换热系数区,随着湍流度的增大,高换热核心区显著增大;由于凹槽对滞止区域的流动产生了影响,带凹槽的前缘结构在不同工况下均表现出将原始结构高换热核心区分割为凹槽两侧突出边缘的高换热区和槽内低换热区的分布特征;凹槽可以显著降低前缘表面的换热强度,带浅凹槽的前缘结构在前缘表面的面平均努塞尔数相比原始前缘结构降低约7.9%~14.5%,带深凹槽的前缘结构相比原始前缘结构降低约9.1%~20.9%;与Reg=200,000相比,当Reg=150,000时,带凹槽的前缘结构相比原始结构的低换热优势更强。