C/SiC刚性热防护结构热力耦合分析

高超声速飞行器热防护问题复杂,是弹道参数、外部流场、气动加热、结构温度场、结构变形响应等多物理场的耦合.为提高飞行器结构温度场预估精度,开展气动加热与结构温度场的耦合分析方法研究,基于气动加热工程算法,对典型C/SiC刚性非烧蚀式防热结构进行气动加热与温度场耦合分析.结果表明作用在结构上的净热流密度低于气动加热工程计算得到的冷壁热流密度,设计热防护系统时必须考虑气动加热/结构温度之间的耦合作用.     

高超声速飞行器翼面气动加热、辐射换热与瞬态热传导的耦合分析

为准确预测高超声速飞行器翼面的热环境以利于飞行器的设计。通过数值算例验证了基于参考焓法的气动加热工程算法的可行性;提出了一种高超声速飞行器三维翼面的气动加热、辐射换热、瞬态热传导的准定常耦合求解方法,通过与非耦合的气动加热、辐射换热及瞬态热传导方法相比,指出考虑耦合求解的必要性。在飞行器典型弹道飞行条件下,该耦合求解方法考虑气动加热、辐射换热、结构热传导耦合效应,实现了高超声速三维翼面温度的准确预测,该方法可用于高超声速飞行器气动热分析及热防护设计。     

高速飞行器结构气动热计算优化

以某超声速飞行器头部壳体为研究对象,采用气动加热工程算法求解飞行器头部壳体表面热流分布情况,利用有限元分析软件,在考虑飞行器头部壳体材料热物性参数的情况下,模拟出气动加热的热量由飞行器头部壳体结构壁面向内导热不同时刻在飞行器头部壳体的温度场分布。采用工程计算和模拟仿真相结合的技术进行高速飞行器气动加热计算,融合两种方法优点,克服彼此局限性,最终得到不同飞行时刻飞行器头部的温度场分布,为飞行器的结构设计、热防护设计、材料选择以及飞行安全性评估提供参考依据。     

高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计

气动、热和结构三学科之间的耦合关系是高速飞行器面临的核心问题之一。文中利用强弱耦合关系简化了气动热结构耦合问题,并基于气动加热、瞬态热传导、热结构、热模态和热颤振的单向耦合关系来分析热弹性问题,建立了气动热结构多学科集成分析平台。针对各子学科耗时问题,文中采用了增广的自适应响应面优化策略完成了气动热结构多学科设计优化,在提高了颤振速度的同时,使升力面结构质量有了一定的降低。     

二维圆柱在高超声速气流中的耦合传热计算

高超声速飞行器热结构和热防护设计离不开对飞行器表面的气动热载荷和固体内温度的准确预测,两者之间的耦合作用对此有着重要影响.开展高超声速流场与结构温度场的耦合数值计算,流场部分求解了二维非定常全N-S方程,空间差分采用Harten-Yee的TVD格式,时间离散采用双时间步推进.固体结构传热部分求解了二维非稳态的热传导方程.通过流固交界面,流体从固体部分得到温度边界条件,固体从流体部分得到热流边界条件,从而实现流场和固体温度场的紧耦合计算.将这套算法成功应用于绕无限长圆柱的气动加热计算中,对圆柱在气动加热过程中的温度变化做了详细的分析.     

高超声速复合材料翼面的结构动力学特性研究

高超声速飞行器飞行时会引起气动加热,对其进行结构动力学分析时需考虑气动热的影响.文中建立了热环境下的结构动力学分析流程.首先,基于求解三维可压缩N-S方程的CFD方法进行气动热分析;然后利用有限单元法(FEM)求解结构热传导,并得出温度场分布;最后,基于准线性结构模型进行热环境下的结构动力学分析.基于该流程,对比分析了高超声速飞行器复合材料翼面的结构动力学特性.结果表明,气动加热改变了翼面的固有振动特性.     

高超声速飞行器气动热结构耦合问题研究

回顾了超声速飞行器发展历程与现状,对近年来国外针对气动-热-结构三学科耦合问题的研究进行了总结归纳;从物理含义出发,分别对各子学科之间的相互耦合关系以及各自的建模方法进行了总结;给出了计算方法和求解思路,总结了国外对于热气动弹性问题的研究进展;最后讨论了真实气体效应对耦合问题的影响。     

高超声速飞行器鼻锥的热环境和结构热分析研究

基于典型的高超声速气动加热飞行环境,利用热流迭代修正方法对轴对称一体化结构高超声速飞行器鼻锥进行结构温度场分析.首先通过流场计算得到飞行器鼻锥的冷壁边界热流密度分布,并将其作为结构热响应有限元计算的初始边界条件.为了验证计算方法的可执行性,并为计算结果分析比较提供参考数据,首先进行只考虑导热和辐射的计算,不考虑壁面温度变化对热流影响的热流修正迭代计算.而后,针对壁面温度随时间变化,对热流密度进行修正,进行多次迭代计算模拟,用以确定高超声速飞行器鼻锥材料以及结构设计尺寸.     

国外高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性概述

概述了国外在高超声速飞行器气动弹性和气动热弹性领域进行的研究活动,重点关注对非定常高超声速气动力学的建模和把流体与结构之间的热传递纳入气动弹性求解等两个问题,归纳出了未来高超声速气动弹性力学和气动热弹性力学的发展方向。由于吸气式高超声速飞行器机体、推进系统和控制系统的强耦合性,未来的发展趋势是把先进计算气动热弹性法纳入飞行器的综合分析。     

基于数据库的三维复杂外形飞行器表面热流快速计算方法

高超声速复杂外形飞行器气动热环境预计是飞行器设计中的难点问题。发展一种基于数据库、使用数值与工程结合的表面热流快速计算方法,以X-33类飞行器为例,给出气动热数据库的构建方法及基于数据库的快速算法。通过算例比较,验证了方法的计算精度。该方法有效弥补了三维复杂外形飞行器气动热环境数值计算耗时长、工程算法计算精度不足的问题,能够满足高超声速飞行器再入时气动热环境实时预测和新型飞行器开发设计阶段优化设计的需求。     

高速火箭弹不同防热方案对气动加热影响规律的研究

采用工程算法与数值算法相耦合的气动热计算方法进行高超声速火箭弹的气动热参数计算。对火箭弹边界层外缘参数采用无黏数值算法求取,对边界层内黏性起主导作用的区域采用工程算法计算。由于防热层厚度方向特征尺寸远小于火箭弹表面特征尺寸,对防热层的气动热计算进行了一维简化并建立了一维非稳态导热微分方程。在确定防热层边界条件后,经过导热微分方程的求解得到了长航状态下火箭弹防热层的温度分布。通过对防热层的不同物性参数的研究,得出防热层物性参数对气动加热的影响规律,为气动热防护问题的研究提供了参考。     

整流帽布局对全动舵附近流动结构及热环境分布规律的影响

基于局部外形优化改善空气舵附近区域局部热环境,可明显提升高马赫数飞行器热防护系统在恶劣环境下的适应性和生存能力。整流帽的应用作为高马赫数飞行器全动舵流动与气动热特性优化的有效手段,在近年来备受关注。建立一种适用于高马赫数完全气体可压缩流动的数值模拟方法,采用该方法开展整流帽布局及几何参数对全动舵附近流动结构及热环境分布规律的影响研究,并通过带整流帽布局的平板-全动舵模型激波风洞测热试验对数值模拟方法的准确性进行验证。结果表明：高速来流流经整流帽时将产生激波减速,在整流帽下游激波迅速膨胀分离,空气流动速度和加热能力均显著降低;从整体上看,设置整流帽能够显著降低整流帽展向宽度范围内的全动舵及附近平板气动热环境;随着整流帽楔角减小,全动舵气动加热整体呈恶化趋势;随着整流展宽增加,全动舵气动加热进一步减轻。     

气动热环境下高速飞行器光学头罩光传输分析

气动热环境下,光学头罩由于受到气动热和热应力的作用,产生形变且其光学性质发生改变,进而影响到光学头罩内红外辐射光线的传输,使得头罩光学系统成像质量下降,最终将影响高速飞行器的制导精度。以红外成像在高速飞行器上的应用需求为背景,对头罩内光传输进行了数值仿真,得到了头罩光学系统在气动热环境中各项光学评价函数。     

末敏子弹减速减旋弹道的气动加热

末敏子弹在火药燃气推力作用下从母弹舱内抛出后,其表面红外辐射主要源于减速减旋运动产生的气动加热。针对此问题,应用SIMULINK建立了末敏子弹减速减旋弹道的仿真模型,求解并分析了弹道诸元的变化规律。以部分弹道数据和气流参数为来流条件,利用FLUENT对其气动热进行了数值模拟,分析了不同飞行条件下的表面瞬态温度、压力分布规律。结果表明:末敏子弹在减速减旋段的速度较低,表面温度梯度较小,红外辐射特征较弱; 高温区集中在弹头附近、伞盘以及连接杆部位; 驻点温度的仿真结果与工程计算结果吻合较好。研究结论可为末敏弹的红外侦察预警仿真技术提供帮助。     

边界层转捩飞行测量方法及实现

针对高超声速边界层转捩飞行试验研究的需要,通过一体化的变厚度薄壁测温和热流辨识方法,利用测量薄壁内壁温度辨识表面热流可实现飞行器表面转捩位置的测量。考虑到飞行器高速飞行过程中表面气动加热和振动环境要求,对测量结构和机体结构开展了一体化模块设计,提高了测量结构的整体承载抗热振能力;利用热振联合地面试验系统,在飞行状态地面模拟条件下,对测热部件进行了热振联合试验考核,验证了测量结构的安全性和可靠性。地面热振联合试验和飞行试验结果表明,该型转捩测量结构可承受飞行条件气动加热和振动环境,能迅速地响应和准确地反映气动加热环境热流的变化,可准确捕捉飞行条件下高超声速边界层转捩现象。获取的热流转捩测量数据,可为高超声速转捩预测计算模型提供校准数据。     

弹翼表面气动加热和烧蚀现象的研究

为高超音速飞行的弹翼建立了气动加热及烧蚀的数学模型，并编制了计算软件，用于模拟高超音速穿甲弹弹翼前缘的瞬时热效应．所采用的理论、方法及计算结果对以后进行高超音速弹箭的研究有一定的参考价值。     

TPS多层隔热结构数值分析方法研究

多层隔热结构作为不承载的隔热层是金属热防护系统中重要的组成部分。多层隔热结构内存在复杂的多种传热形式的耦合，文中详细地分析了多层隔热结构导热与辐射的复合换热问题，用二热流近似方法分析了纤维席内辐射热流。应用非线性全隐式有限差分法建立了多层隔热结构瞬态传热分析模型，并将该模型的预测结果与实验值进行对比。应用数值分析方法预测多层隔热结构瞬态温度响应更便于对多层隔热结构进行详细的性能分析及优化设计。     

吸热型碳氢燃料模型化合物裂解性能研究

高超声速飞行使飞行器表面热负荷急剧增加,要求燃料作为推进剂供给飞行器动力的同时满足冷却要求.不同燃料的物理热沉相差无几,利用吸热型碳氢燃料的裂解反应获得热沉势在必行.在这种条件下,单纯的热裂解已不能满足要求,引发及催化裂解作为提高燃料裂解性能的途径成为研究热点.本实验分别以正十二烷、异辛烷和甲基环己烷作为模型化合物,对...