稀薄流高超声速飞行器气动加热耦合计算

针对稀薄流域高超声速飞行器的气动加热问题,开展耦合数值计算研究。通过引入牛顿冷却定律,将直接模拟蒙特卡洛数值模拟方法与结构传热计算方法相结合,设计一种可对全机外形进行气动热和结构传热计算的高效松耦合方法,实现飞行器防热层结构材料温度分布特性的数值模拟。在以钝锥外形为例对直接模拟蒙特卡洛数值模拟程序进行验证的基础上,采用该方法对X37B轨道飞行器外形长时加热与结构传热过程进行数值模拟,给出结构温度及热流密度随飞行时间的变化规律。研究结果表明,设计的耦合计算方法能够模拟稀薄流域高超声速飞行器的气动加热及结构传热耦合过程,可为该类飞行器的气动热分析及热防护设计提供技术支持。     

热推力器层板换热芯流固耦合传热与流动仿真

热推进技术采用小分子量气体作为推进剂可以获取较高的比冲,是具有巨大应用前景的空间推进技术,而提高热推力器换热芯换热效率是目前亟待解决的问题。本文设计了基于层板结构的换热芯,结合层板结构的传热特点与流固耦合传热理论,对层板换热芯传热和工质流动进行了模拟计算。根据耦合传热理论,将层板与工质的导热简化为系统内部边界条件,通过仿真计算得到了层板流固耦合温度场和流场分布特性,工质可以被加热至2300K以上,验证了层板结构用于热推力器换热芯的有效性。     

高超声速飞行器前缘流-热-固一体化计算

针对高超声速流动气动加热与结构传热的复杂耦合问题,探索和研究基于有限体积法的高超声速流-热-固一体化求解方法,将流场与结构温度场进行统一建模与数值模拟。该方法避开了传统气动加热和结构传热耦合求解方法在时间域内进行流场与结构温度场耦合交替迭代计算所带来的大量数据交换与计算,将流场与结构温度场作为一个物理场,采用统一的控制方程进行求解。采用典型高超声速绕流二维圆管稳态或非稳态流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证,稳态时圆管驻点温度最高达到648 K,非稳态时的热流密度和结构温度与参考文献和实验值吻合较好,由此证明了该方法的可靠性和正确性。与耦合计算方法的对比分析结果表明:该一体化求解方法所得计算结果更接近实验值,并且计算量和网格依赖性都相对较小,具有更好的稳定性和计算精度,能为高超声速飞行器一体化热防护设计提供有效的理论和技术支撑。     

吸气式导弹尾部喷流对底部阻力影响数值研究

通过数值模拟方法研究了吸气式导弹尾部喷流对底部阻力的影响.采用内通道截断方法进行热喷状态下流场数值计算,获得了热喷状态下底部干扰流场结构和底部阻力系数,同时研究了燃气属性对热喷效应的影响.最后与冷通气状态流场计算结果进行比较,进一步分析了热喷效应的影响机理.计算结果表明,热喷效应和燃气属性都会对导弹底部阻力产生极大影响.     

轴对称物体空泡流动的数值计算

基于势流理论和边界元方法,对水下运动的回转体的空泡流进行了数值模拟.将半经验空泡封闭模型由平面流动推广至轴对称流动.对头部为圆锥的圆柱体空泡流动进行了数值计算.分析了空化数、半锥角、空泡长度间的关系.计算与实验结果符合较好.     

结构参数对环型蒸汽引射器凝结流场的影响

建立了湿蒸汽凝结流动的理论模型,并利用经典实验结果对该模型进行了校验,验证了模型的准确性.在此基础上,对不同结构参数下环型引射流场内的水蒸气凝结流动过程进行了数值仿真.结果表明:适当地减小收敛比φ、面积比α和增大二次喉道的长径比l/d,可以提高总压恢复系数,改善引射器性能.     

超声波金属熔体处理机强迫风冷问题的数值模拟

针对超声波金属熔体处理机因高温金属熔体的传热而产生的温度快速升高问题,采用ANSYS/FLOTRAN CFD对处理机进行了流场和温度场耦合分析,得到了不同冷却气流量下的换能器温度分布。同时,采用流-固/热耦合共轭传热问题求解方法得到了冷却腔内流固界面的对流换热系数,避免了试验测试的困难,为超声波金属熔体处理机的散热和冷却提供了设计依据。     

新型优化同心筒自力发射流场机理与降温效果

针对同心筒自力发射结构优化与热环境改善的问题,基于雷诺平均方程及轴对称N-S方程,依托弹性变形和网格再生成方法结合的动网格技术,对3种不同结构形式同心筒发射装置的二维轴对称流场进行了非定常数值计算,得到了不同结构条件下动态的流场机理及导弹热环境特性。计算结果显示:导流器方案能实现燃气流迅速顺利排导;筒底收缩段设计能有效遮挡反溅燃气流;筒口导流板结构较好抑制了内筒的"倒吸效应",确保导弹和内筒的热安全;揭示了优化同心筒的流场结构与降温机理,可为相关研究提供参考。     

身管热变形对步枪射击影响分析

为了研究温度变化对枪械射击准确度的影响,建立某步枪枪管的数值仿真模型。为了研究热冲击作用下枪管温度的分布情况,根据非线性热力学对枪管内壁与外壁的对流传热以及内膛的传热进行数值分析。再将仿真得到的温度场施加在身管上,采用非线性热力学结构耦合,求解出不同温度场分布下的枪管变形程度,并分析了身管弯曲对瞄准基线的影响。通过与实验数据的对比,验证了仿真结果具有可信性,为射击过程中的修正偏差提供重要理论依据。     

涡流阀流量调节特性数值模拟

用数值模拟研究了涡流阀的流量调节特性。在来流总压恒定的条件下,用时间相关法求解了雷诺平均的Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程。计算了无控制流和有控制流两种情况,得到了流动参数在流场中的分布和控制流量与喷管流量的关系。计算表明,涡流阀有良好的流量调节特性。     

高超声速飞行器边界层外缘参数仿真分析

以高超声速飞行器为研究对象,构建快速准确计算高超声速飞行器无黏边界层外缘参数的计算方法。拟合空气比热、比热比随温度变化曲线,建立空气属性温度划分准则。基于不同空气属性建立高超声速飞行器边界层外缘参数工程与数值计算模型,采用钝双锥模型,对比分析工程估算、无黏数值及有黏数值计算方法的计算结果。结果表明,0°攻角状态下,基于无黏流场的数值计算与工程估算和有黏数值计算的压强最大差值分别为1.19%和2.39%;10°攻角状态下,最大差值分别为5%和50%;从而证明所提出的无黏数值计算方法明显优于工程计算方法,为进一步快速准确计算高超声速飞行器气动热环境奠定了重要基础。     

液体火箭发动机碳/碳复合材料喷管烧蚀分析

对液体火箭发动机碳／碳复合材料喷管的烧蚀过程进行研究。理论模型包括固相和气相守恒方程。气相湍流反应边界层流动应用质量加权平均控制方程分析，喷管壁温分布由非稳态传热方程进行数值计算获得。分析了推进剂混合比、液膜冷却量、燃烧室压力、壁面材料的密度对烧蚀速率的影响。     

S弯进气道合成双射流流场控制特性分析

针对飞翼布局无人飞行器中S弯进气道明显流动分离和出口总压畸变等问题,提出了基于合成双射流的主动流动控制方法,建立了合成双射流的S弯进气道数值仿真模型。结果表明,在S弯进气道分离点附近施加合成双射流控制,在整个射流周期内通过“吹”“吸”接力可以有效抑制边界层流动分离,有效提升总压恢复系数。对比研究了合成双射流不同射流角度、射流峰值速度和激励频率对S弯进气道流场控制特性的影响规律。结果表明合成双射流与主流的角度越小,流动分离控制效果越好,较大射流峰值速度会对主流形成“阻挡”致使控制效果下降,激励频率与流场特征频率越接近控制效果越明显。     

微槽平板热管传热性能的实验研究

系统地研究小充液率条件下重力对微槽平板热管传热性能的影响,分析了工作温度、冷却方式等影响因素.发现重力对热管径向液膜的分布影响比较小,而对轴向的影响比较明显,从而使得倾角较大地影响了热管的传热能力.进一步证明了深槽平板热管具有良好的传热性能.     

用多重网格TVD方法求解三维高超音速粘性流场

本文采用时间相关法求解了三维Ｎ－Ｓ方程。在计算中，对于压力和对流项采用Ｒｏｅ的通量差分分裂技术和Ｏｓｈｅｒ－Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｈｙ的ＴＶＤ格式，对于粘性项，采用了中心差分格式。通过数值模拟得到了钝头双锥体高超音速层流流场在不同攻角下的数值解。计算的重点放在壁面热流率的预测。在攻角为４°和１２°的状态下，Ｓｔａｎｔｏｎ数的计算值与实验值进行了比较，二者吻合较好。为了加快收敛速率，计算时采用了多重网格方法。     

逃逸飞行器喷流干扰流场的分区数值模拟

基于拼接网格系统 ,应用三维区域边界格式 ;通过区域边界格式对区域边界上的通量进行守恒性处理 ,发展了一个超音速复杂流场分区算法 ;对不同攻角下的逃逸飞行器喷流干扰流场进行了分区数值模拟 ,取得了较好的结果     

恒温热源实际回热式布雷顿制冷循环性能分析

用有限时间热力学方法分析实际制冷循环性能,计入工质与高、低温热源间换热器和回热器的热阻损失,压缩机和膨胀机中的不可逆损失和管道中的压力损失,导出恒温热源条件下实际国热式布雷顿制冷循环的制冷率、制冷系数与循环压比间的解析式,并给出了详细的数值算例。     

高焓高压空气加热器壁面传热过程数值计算

以一种高焓高压空气加热器为研究对象,对其冷却通道的流动和传热进行了三维数值仿真,冷却剂采用液态水,燃烧室和喷管分别采用不同的壁面材料,考虑壁面材料物性随温度的变化,并通过加热器热试验证了数值仿真结果的正确性。在此基础上,对比分析了气体辐射、冷却通道结构以及冷却水的流动方式对壁面换热的影响。结果表明:气体辐射对加热器燃烧室段壁面换热影响较大,对喷管壁面换热无明显的影响。在传热计算中,忽略气体辐射会引起较大的误差;冷却通道数和宽度存在最优组合,使得壁面换热量最大。冷却水的流动方式对燃气侧壁面温度影响较小,但对冷却液侧壁面温度的影响较大。     

三维高超音速干扰流场数值模拟与实验验证

采用Osher Chakraverthy的TVD格式、Baldwin Lomax湍流模型和LU SSOR隐式方法求解了完全NS方程 ,数值模拟了三维高超音速绕流与横向喷流干扰流场。并在高超音速炮风洞中开展了喷流实验研究 ,对该喷流流场的数值计算结果进行实验验证     

燃烧室压力对潜入式喷管喉衬热应力的影响

为了研究燃烧室压力对固体火箭发动机潜入式喷管热应力影响规律的问题,采用商业流体软件,基于压力求解器,求解了喷管纯气相的流场,确定了燃气温度、压力、壁面对流换热系数;采用有限元软件,依据流场计算的非均布壁面压力与非均布对流换热,求解了燃烧室压力为6 MPa下的潜入式喷管热结构问题;通过地面点火试验验证了仿真模型与数值方法的有效性与准确性;采用相同计算模型与数值方法,求解了在燃烧室压力为9 MPa、12 MPa下的喷管热结构问题,揭示了燃烧室压力对喉衬热应力的影响规律。结果表明:整个工作过程,喉衬环向应力最大值为103.9 MPa,位于内表面,且随时间增大,先增大后减小;喉衬环向拉应力也随时间先增大后减小;随压力增大,对流换热系数增大,喉衬温度升高,喉衬环向拉应力增大,喉衬环向压应力减小。