高超声速非平衡气动加热试验及数值分析研究

高超声速非平衡流动气动加热的精确预测是当前高超声速飞行器热防护设计面临的难点和热点问题.设计了外形简单的球柱测热模型,采用表面溅射金Au和二氧化硅SiO_2的方法改变了模型和塞式量热计表面的催化特性,并在电弧风洞中开展了高超声速非平衡流动气动加热试验,获得了近完全催化壁及近非催化壁两种条件下模型表面的气动加热数据.通过和数值模拟结果对比分析,对高温化学非平衡气动加热的数值预测方法进行了验证,结果表明:表面材料的催化特性对非平衡气动加热有显著影响,测热模型的球面上催化效应影响明显,完全催化热流要高于非催化热流,而柱面上催化效应较弱;数值模拟得到的不同壁面催化条件之间热流差异大于地面试验结果;计算结果与试验结果相比,完全催化壁热流相差在5%以内,完全非催化壁热流相差超过10%.     

气动热-气动弹性双向耦合的高超声速曲面壁板颤振分析方法

建立了气动热、气动弹性双向耦合高超声速二维曲面壁板颤振分析方法．基于柯西霍夫假设和冯卡门非线性应变．位移关系,建立了考虑几何非线性的二维简支曲板的气动．热．弹性分析方程;使用迦辽金方法对方程离散处理,采用四阶龙格．库塔法求解微分方程;三阶活塞理论用于气动力分析;使用参考温度法和平板气动热公式计算气动热．研究中重点考虑：1）气动热与气动弹性双向耦合,既分析气动热对结构刚度的影响,又分析气动弹性对气动热的影响;2）结构温度随飞行时间的积累效应;3）弦向和厚度方向非均匀温度分布的影响;4）曲面壁板的初始变形对壁板颤振发生时刻的影响．通过与传统的只考虑气动热．气动弹性单向耦合的分析结果进行对比,发现基于气动热和气动弹性双向耦合的壁板颤振分析结果更危险,这一点在精确分析中应当予以重视．     

固体火箭喷管烧蚀控制机制的判别

固体火箭喷管喉衬材料的烧蚀是化学反应与传热、传质相耦合的过程．基于气动热力学、热化学动力学和传热学,建立了热化学烧蚀模型;并对H2含量、频率因子、活化能引起喷管内热流场与化学烧蚀的变化进行了数值模拟．计算结果表明：在高温高压燃烧环境下,H2频率因子与活化能的变化引起烧蚀机制的改变,但H2频率因子的变化影响并不明显;固体火箭喷管烧蚀控制机制的判别应由喷管内燃气中H2的含量与烧蚀环境下H2活化能来决定．该研究结果为固体火箭的热防护设计提供参考．     

超临界态煤油流动与对流传热特性数值研究

本文采用湍流模拟方法结合煤油的10组分替代模型对国产RP-3航空煤油在水平圆管中的超临界态流动及对流传热特性进行了研究.湍流模拟采用RNGk-两方程模型以及增强壁面处理方法,煤油热物性和输运参数的确定基于10组分替代模型,并采用广义状态对应法则（ECS）结合考虑真实气体效应的Benedict-Webb-Rubin方程计算.同时,通过网格无关性研究以及与煤油加热圆管实验数据的比较验证了数值方法的可靠性.在本文研究的流动条件下,对于壁面热流为1.2和0.8MW/m2的算例,当管壁温度略超过煤油的拟临界温度时将发生传热恶化现象,并且恶化程度随着热流密度的降低而减小;而在壁面热流为0.5MW/m2时则不再出现传热恶化.通过分析传热恶化前后近壁区湍流强度可知,传热发生恶化以及传热性能的再次恢复与近壁湍流强度的变化有关.经典的传热公式如Sieder-Tate公式、Gnielinski公式可以基本反映亚临界区煤油的传热关系,但不能预测煤油的传热恶化现象.而考虑超临界特性的Bae-Kim修正公式可以描述煤油的传热恶化.另外,研究发现：当煤油进入超临界态时,管道摩擦阻力将显著增加.     

高超声速飞行器表面对流气动加热快速预测方法

构建了高超声速飞行器表面驻点及其下游区对流气动加热的一种快速预测方法．首先,采用工程方法计算飞行器表面无黏流场,针对工程方法的熵吞没效应,将质量流量平衡法与轴对称比拟法相结合对边界层外缘进行熵修正;其次,推导出采用线性方程拟合飞行器表面流场的拟合方程;在此基础上,发展出基于线性流场和线性物面方程的轴对称比拟法,大幅度降低了复杂度和计算量;对于驻点区域,引入隐式曲面拟合驻点主曲率半径并构造鲁棒的驻点区热流计算方法．采用球锥体和仿空天飞行器等多种外形验证了方法的有效性,计算结果表明：1）所述方法总耗时约1S即可预测出气动加热,并且预测结果与CFD模拟或者试验测量数据比较一致;2）在飞行器表面流线扩展区域,进行熵修正可进一步提高预测精度,在流线不扩张区域,采用等熵或变熵无黏流场的预测结果差别微小．