电磁超声法测量结构内部温度场的试验研究

为实现结构内部温度场的无损、实时与高精度探测,研究设计一种可非接触式测量的电磁超声测温原理性试验系统。通过检测超声波回波信号在结构内部传递过程中波速的变化,根据热/声耦合理论,采用基于灵敏度法的温度场重建技术实现了对超声传播路径上温度非均匀分布状态的测量。基于钢试件的标定试验、稳态传热试验和瞬态传热试验,对超声测温系统及灵敏度测温方法的可靠性和准确性进行了试验研究。试验结果表明,采用灵敏度法的超声测温技术,结合无损非接触式探测的电磁超声方法,能够有效测量结构内部稳态/瞬态温度场分布状态,具有重要的工程应用价值。     

相变热控装置内部的传热特性

针对舱内热控用相变热控装置内部的传热特点,研究装置内相变材料吸热过程的相变传热及流固耦合传热规律,建立了相应的数理模型及数值计算方法,进行了实验验证,并在此基础上分析了典型热控单元吸热特性的影响因素及作用规律。相关研究成果将为相变热控装置吸热及热控特性的有效预测,以及为装置的设计及优化提供参考。     

稳态传热条件下的结构温度场和厚度同时测量方法研究

同时预测结构内部温度场和厚度对定量化评估油气管道等高温石化设备的安全可靠性有重要意义.采用增大初始时间和时间步,建立稳态传热条件下基于热/声耦合分析的超声同时测厚测温模型.采用超声回波法和热传导反问题分析方法相结合,将结构内部温度场的预测转化为等效热边界条件的反演和热传导正问题的计算问题,发展一种同时测量结构厚度和内部温度场的方法.研究表面,不仅避免了参数识别中输入信息不足带来的矩阵奇异问题,而且反映了波传播路径上由于温度不同所带来的声时累积特性,可有效提升稳态传热条件下超声同时测温测厚的准确性.试验验证可行性和可靠性,不同采样点数、热边界条件和试件厚度等算例分析也表明了该方法有很好的抗噪性.     

过冷水滴液-固相变动力学特性研究

采用非等温DSC法,对过冷条件下水滴的液-固相变动力学特性进行了研究,获得了水滴结晶过程的速率常数、时间指数和Avrami指数.研究表明,降温速率对水的结晶行为影响较大.降温速率越大,则结晶速率越大,结晶峰温和结晶初始温度向低温方向移动,结晶的完善程度相对越差.在-40℃～0℃温度范围,水滴的结晶以异相成核的三维球晶方式生长.     

复杂3维外形霜状冰数值模拟

3维复杂外形结冰数值模拟是目前飞机结冰预测中的一个难题。结合欧拉坐标系下空气-过冷水滴两相流动控制方程的计算,发展了一种结冰面沿法向网格线方向曲线增长的移动边界技术,对DLR-F4、某民机着陆构型的霜状冰进行了数值模拟。计算结果表明所发展的方法以及相应的计算代码是有效的。对比发现,结冰会明显破坏飞机的气动特性,短时间的结冰就使得飞机升力降低,阻力增加。     

考虑非平衡效应的对流换热特性耦合模拟及热壁修正新思路

高超声速飞行产生的化学非平衡效应及其与表面结构/材料传热的相互作用，带来更为复杂的耦合对流换热特性，并造成用于气动热环境快速预测与评估的热壁修正方法适用性变差。针对上述问题，以碳氧离解环境碳基材料耦合催化加热为研究对象，在高超声速气动热与结构传热耦合数值模拟的研究基础上，进一步考虑化学非平衡效应和气固界面高温化学效应，分析耦合条件下飞行器对流换热特性，并根据耦合模拟结果提出了通过对气动加热按物理过程的贡献进行分解来改进热壁修正方法的新思路。     

固体结构内部瞬态非均匀温度场的重建方法研究

固体结构内部瞬态非均匀温度场的无损测量在航空航天、机械制造、材料加工和医疗卫生等领域都具有十分重要的作用。基于超声波脉冲回波法,建立了超声测量各向同性均匀介质结构内部瞬态温度分布的理论模型,发展了预测结构内部非均匀温度场的灵敏度法和共轭梯度法,并系统比较分析了两种瞬态温度场重建算法的精度、抗噪性和稳定性等特性。实验验证表明：基于热传导反问题的两种方法,重建得到的结构内部瞬态非均匀温度分布精度均较高,实时性好,适用性强;对结构内部瞬态温度场的预测与评估以及探索研究结构内部量的新型测量和控制技术等具有参考意义。固体结构内部瞬态非均匀温度场的无损测量在航空航天、机械制造、材料加工和医疗卫生等领域都具有十分重要的作用。基于超声波脉冲回波法,建立了超声测量各向同性均匀介质结构内部瞬态温度分布的理论模型,发展了预测结构内部非均匀温度场的灵敏度法和共轭梯度法,并系统比较分析了两种瞬态温度场重建算法的精度、抗噪性和稳定性等特性。实验验证表明：基于热传导反问题的两种方法,重建得到的结构内部瞬态非均匀温度分布精度均较高,实时性好,适用性强;对结构内部瞬态温度场的预测与评估以及探索研究结构内部量的新型测量和控制技术等具有参考意义。     

硅基材料烧蚀产物对高温气体流场辐射影响

高温气体流场辐射特性在高超声速飞行器目标探测、识别和气动热环境预测等方面具有重要应用。基于带辐射模型,考虑硅基防热材料热化学烧蚀产物的可见光和红外辐射机制,建立了烧蚀产物光谱参数的计算方法,发展了高温气体烧蚀流场辐射特性计算软件。高温气体烧蚀流场的数值模拟结果,利用所发展的辐射计算软件,计算分析了自由飞弹道靶实验模型及高超声速钝头体流场的辐射特性,重点研究了各种烧蚀产物的影响。研究表明:烧蚀产物对流场红外辐射特性具有重要影响。