A Comparative Study of the Influence of the Active Young Sun on the Early Atmospheres of Earth, Venus, and Mars

Because the solar radiation and particle environment plays a major role in all atmospheric processes such as ionization, dissociation, heating of the upper atmospheres, and thermal and non-thermal atmospheric loss processes, the long-time evolution of planetary atmospheres and their water inventories can only be understood within the context of the evolving Sun. We compare the effect of solar induced X-ray and EUV (XUV) heating on the upper atmospheres of Earth, Venus and Mars since the time when the Sun arrived at the Zero-Age-Main-Sequence (ZAMS) about 4.6 Gyr ago. We apply a diffusive-gravitational equilibrium and thermal balance model for studying heating of the early thermospheres by photodissociation and ionization processes, due to exothermic chemical reactions and cooling by IR-radiating molecules like CO₂, NO, OH, etc. Our model simulations result in extended thermospheres for early Earth, Venus and Mars. The exospheric temperatures obtained for all the three planets during this time period lead to diffusion-limited hydrodynamic escape of atomic hydrogen and high Jeans’ escape rates for heavier species like H₂, He, C, N, O, etc. The duration of this blow-off phase for atomic hydrogen depends essentially on the mixing ratios of CO₂, N₂ and H₂O in the atmospheres and could last from ∼100 to several hundred million years. Furthermore, we study the efficiency of various non-thermal atmospheric loss processes on Venus and Mars and investigate the possible protecting effect of the early martian magnetosphere against solar wind induced ion pick up erosion. We find that the early martian magnetic field could decrease the ion-related non-thermal escape rates by a great amount. It is possible that non-magnetized early Mars could have lost its whole atmosphere due to the combined effect of its extended upper atmosphere and a dense solar wind plasma flow of the young Sun during about 200 Myr after the Sun arrived at the ZAMS. Depending on the solar wind parameters, our model simulations for early Venus show that ion pick up by strong solar wind from a non-magnetized planet could erode up to an equivalent amount of ∼250 bar of O⁺ ions during the first several hundred million years. This accumulated loss corresponds to an equivalent mass of ∼1 terrestrial ocean (TO (1 TO ∼1.39×10²⁴ g or expressed as partial pressure, about 265 bar, which corresponds to ∼2900 m average depth)). Finally, we discuss and compare our findings with the results of preceding studies.     

超声速喷流啸声的控制方法

通过实验比较了几种超声速喷流啸声的控制方法,包括附加三角凸台和开V形槽的收敛喷嘴。实验结果表明,带三角凸台和V槽的喷嘴对啸声幅值有明显的抑制,尤其是凸台喷嘴对啸声的模态也产生了明显的影响,但是啸声成分仍然存在,并且在上游方向依然占主导地位。在此基础上提出了一种新的控制方法——凸台加V槽的组合喷嘴,实验结果表明,组合喷嘴完全抑制了啸声,而且对于其它超音速喷流噪声成分的幅值也有一定程度的降低。最后还对各种结构喷嘴的气动推力损失进行了综合评估,结果表明组合喷嘴的推力损失介于V槽喷嘴和三角凸台喷嘴之间,平均推力损失在3%左右。     

火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究

研究了火箭发动机复合喷管的耦合换热及瞬态壁温的计算方法,考虑了扩散控制的C/C喉衬的稳态烧蚀,建立了封闭腔-净辐射模型计算喷管内的辐射换热,改进了喷管辐射换热的计算方法.计算了两种复合喷管的壁温随时间的变化,并与有关文献的结果进行对比.研究表明:在火箭发动机喷管的入口段,高温燃气对壁面的辐射换热热流比对流换热热流强;采用封闭腔-净辐射法计算火箭发动机喷管的辐射精度较高.      

静态封严篦齿内部流动与换热的数值计算

建立二维篦齿模型,运用数值方法,从分析齿腔内流场和篦齿顶板换热的角度研究了篦齿的封严特性.通过多种工况的计算,探讨了雷诺数、齿顶宽和齿隙之比对篦齿腔内流动、压降损失以及齿腔顶板换热系数之间的关系.计算数据和实验数据进行比较,发现变化规律一致,误差较小.研究结果表明:雷诺数、齿顶宽和齿隙之比影响着齿腔内部流动和换热的状态,是最终成为决定篦齿封严效果的重要因素.      

含内热源球壳的复合传热特性及其表面温度均匀性研究

应用计算流体动力学方法,对带内热源的空腔球壳所涉及的含导热、自然对流和辐射换热的耦合传热问题进行了数值建模,得到了球壳空腔内、外侧流体的温度场、速度场。在数值模拟基础上,提出并试验验证了能有效提高球壳外表面温度均匀性的电加热绳方案。     

异形腔体压电声衬声学性能

为提高压电声衬对低频噪声的抑制范围,对声衬腔体进行结构优化。利用平面波理论构建了两种曲线管道的声学物理模型,并分别建立了两种模型的传递矩阵,以此作为异形腔体亥姆霍兹共振器传递损失计算的理论依据,并通过仿真验证其正确性。结合压电振子的形变对声衬进行有限元仿真分析,结果表明:在压电振子施加500V驱动电压时,两种声衬频率偏移量分别为115Hz和120Hz。与圆柱形腔体声衬进行对比结果表明:在相同腔体厚度范围内,由曲率越大的曲线所生成的腔体,在相同驱动电压条件下,频率变化率越高,这为今后对声衬腔体结构优化提供一种有效的依据。      

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

不同进气方式对机载电子设备气冷冷板性能影响

电子设备的热负荷占到了航空器全机热负荷的60%以上,高温失效是电子设备失效的主要形式,采取合理的散热手段及时带走电子设备产生的热量对飞行安全和电子设备工作的稳定性有着至关重要的影响。文章利用计算流体力学方法(CFD)对某机载电子设备用气冷冷板进行了传热模拟,通过改变入口速度以及冷空气的流动方式,得到不同工况下气冷冷板各位置的温度分布和工作性能。研究结果显示,入口速度增加会使冷却效果得到提升,但同时增加了流动阻力使得设备工作的稳定性下降。另外,流动方式一(中间进两侧出)的冷却效果优于流动方式二(两侧进中间出),流动方式二的工作噪音和流动阻力优于流动方式一,可根据实际需要进行选择。     

基于CH自由基发光的旋流火焰放热率时空特性研究

对不同工况下CH4/air旋流火焰的放热率在时间上的热声振荡现象和空间的三维形态转变两方面进行了研究。在燃烧形态转变方面,由于旋流火焰的复杂流场分布特性,采用基于化学自发光的三维计算层析技术(3D-CTC),测量了雷诺数从5 000到20 000的三个工况下旋流燃烧的CH*发光三维火焰结构。以此表征放热率的三维分布,实现对旋流火焰放热空间形态的测量。该诊断方法通过对旋流火焰发光在8个视角下的二维成像,结合层析重建算法得到其三维CH*分布信息。为验证重建保真度,将重建后结果二维可视化与高速摄影下的二维时均结果进行对比,结果表明重建误差在5%以内。研究中,分析了不同雷诺数下放热率的空间变化规律,结果显示所有实验工况下放热率的垂直于喷嘴方向的变化程度比沿喷嘴轴向的要剧烈;而随着雷诺数增加,最大的放热区表现出了明显的向后推进趋势。在旋流燃烧的热声振荡方面,利用CH*的二维高速摄影,对旋流燃烧的放热率不稳定性进行研究,发现放热率的振荡频率随着雷诺数的增大逐渐增加。      

风扇前传噪声及声衬特性研究

为了探究航空发动机的风扇噪声,通过试验研究了缩尺风扇前传噪声在不同转速工况下的频谱特性和周向模态特性,并对所设计的环形声衬降噪效果进行了验证。研究结果表明,基于试验测量数据分析得到的频谱特性和周向模态特性满足转静干涉噪声理论。随着转速的提高,风扇纯音噪声越显著,高转速工况下纯音噪声的能量约占风扇前传噪声的85%。在所研究的工况范围内,该声衬对目标频率及模态均有显著的降噪效果,且在85%转速工况时的纯音降噪效果最优,其主模态的传声损失约为59dB。该声衬对于设计频率附近的宽频噪声也有一定降噪效果,在85%转速时的宽频噪声平均传递损失约为3dB。