表面催化特性对火星进入气固耦合热效应的影响研究

高超声速进入火星大气层过程特殊且复杂的高温真实气体效应及气固界面热化学作用给火星进入器耦合气动热环境的精准预测带来巨大挑战.针对火星进入气固耦合问题,建立非平衡气动热环境和结构热响应的耦合计算方法,开展进入器防热大底高超声速非平衡气动加热和结构传热的耦合计算分析,获得了典型弹道点上气固界面非平衡热化学作用对耦合加热的影响规律.耦合分析表明,壁温梯度所致的对流热流和组分扩散热流均对高超声速非平衡气动加热有较大影响;当前耦合计算状态下组分扩散热流占总热流的主要部分,尤其CO2部分影响最大;所计算的热防护系统能够有效阻止气动热向舱内传递,防隔热性能良好,表面热流与辐射散热可快速趋于局部热辐射平衡,可采用辐射平衡壁面条件解耦模拟气动热环境;完全非催化/完全催化壁面热流随耦合时间逐渐降低,但有限速率催化热流因界面非平衡热化学效应而先增后降;壁面热流与壁温的线性度因界面非平衡热化学所致扩散热流的引入而减弱.     

基于Favré平均的高超声速可压缩转捩预测模型

本文在Favré平均的框架下推导了可压缩层流脉动动能输运方程,并根据一定的假设和尺度分析封闭了该方程.通过将Favré平均层流脉动动能方程与Favré平均Navier-Stokes方程联合求解,构造了适用于高马赫数的层流-湍流转捩位置预测模型.应用所发展的可压缩模型及不考虑其显式可压缩项的模型对来流Mach数为5.91的裙锥绕流进行了数值模拟,给出了不同壁面条件下边界层的转捩位置,并与现有的基于参考温度进行可压缩修正的转捩模型计算结果以及实验结果进行了对比,表明所发展的模型在高超声速流动转捩预测上具有更高的精度.     

尾迹撞击平板诱发旁路转捩前期拟序结构的实验研究

通过水槽氢气泡流动显示和PIV实验研究了圆柱尾迹与平板前缘发生直接撞击后平板边界层旁路转捩特性,包括边界层旁路转捩前期拟序结构演化及其对流场统计特性影响.结果表明,尾迹撞击平板后能在平板上表面近壁区生成尺度较小展向涡;这些展向涡或者是尾迹涡被平板前缘切割后在近壁区残留部分,或者是由过前缘尾迹涡所诱生成.近壁区展向涡生成使边界层内流向速度脉动最大值在早期即出现快速增长.另一方面,尾迹对平板撞击作用主要体现在圆柱尾迹中发辫涡结构在流经平板前缘时被撕裂,受RDT机制作用在流向上被迅速拉伸形成近壁区流向涡.其后取代展向涡与条带一起成为近壁区主要流动结构,使流向速度脉动最大值出现二次增长.实验中转捩前期近壁区流体同时感受二维动和三维动,使转捩进程相比于尾迹与边界层不发生直接撞击时更加快速.     

距离对合成射流涡环撞击壁面的影响

利用二维PIV测速技术研究了射流孔口与壁面距离对合成射流涡环撞击壁面过程的影响,分析了涡环撞击壁面的演化规律,给出了流场的统计特性．研究结果表明,不同的孔口与壁面距离的差异,最终体现在涡环靠近壁面时涡量强度及撞击速度的差异;基于孔口直径的无量纲距离接近或小于合成射流无量纲冲程时,涡环撞壁会在壁面附近诱导产生二次涡结构．因此,合适的孔口与壁面距离对涡环撞击壁面效果起着至关重要的影响．流场统计特性分析表明,涡环撞壁后形成壁面射流,其时均速度最大值衰减速率和射流半宽度扩展速率随孔口与壁面距离的增加而减小．无量纲化的壁面射流速度型均表现出自相似特性,并且与壁面层流射流的理论曲线吻合较好．     

涡环垂直撞击壁面的研究进展

旋涡是流体力学中极其重要的流动结构之一，人们对旋涡的研究已经有超过一百年的历史．近年来，涡环与固体壁面的相互作用引起了人们的广泛关注．这不仅因为旋涡与壁面的相互作用在工程中很常见，更重要的是这有助于人们进一步理解旋涡与边界层相互作用的机理．分别对涡环撞壁后涡结构的演化、涡环的周向不稳定性、合成射流涡环撞壁、涡环的压缩性对涡环撞击固体壁面的影响及涡环与可穿透壁面的相互作用等方面进行了回顾与总结，并指出了存在的问题及今后的研究方向．     

火星伞降段多体动力学特性分析与安全设计研究全文替换

针对火星进入降落伞减速段多体运动带来的技术挑战,首先介绍了降落伞系统的设计方案,基于仿真和典型试验结果分析了降落伞减速过程动力学特性产生机理和主要影响;然后提出弹伞、大底和背罩分离、自主导航与姿态控制等方面的安全设计方法;最后介绍了天问一号伞降过程的在轨实现情况;实际飞行结果表明,本文的研究对后续火星着陆任务具有重要的参考意义.     

前言——天问一号火星探测器专题

天问一号任务是我国行星探测工程的首次任务,在国际上首次通过一次任务实现火星"环绕、着陆、巡视"的三步跨越,是我国航天事业发展的又一具有里程碑意义的进展.天问一号探测器由环绕器和着陆巡视器组成,环绕器对火星开展全球性、综合性的环绕探测,着陆巡视器释放火星车在火星表面开展区域巡视探测.2020年7月23日,探测器在海南文昌...     

高速可压缩流动壁函数边界条件的改进与应用

为发展适用于高速流动的壁函数边界条件以降低摩阻和热流模拟时的网格相关性,针对Nichols等人提出的可压缩壁函数边界条件开展了改进研究．首先,通过数值试验修正了可压缩速度壁面律的参数取值·9其次,基于数值试验和理论分析,对温度壁面律的表达式进行了修正;最后,推导了近壁区的热传导项表达式,更准确地实现了壁函数边界条件与CFD程序的耦合．之后,对修正的可压缩壁函数边界条件开展了应用研究．对超声速平板湍流边界层的模拟结果表明：壁函数在壁面法向第1层网格y＋〈400时均能给出准确的壁面热流密度和摩擦系数值,且在稀网格下也可得到合理的边界层速度型、温度型以及湍流涡黏性系数分布;数值实验表明对原始壁函数的修正显著提高了热流密度和摩擦系数的模拟精度．对包含分离流动的超声速凹槽和高超声速轴对称压缩拐角算例的数值模拟发现：基于充分发展的附着湍流边界层理论建立的可压缩速度壁面律对分离区内部近壁区仍然近似适用,可保证分离区内部给出可靠的摩擦系数和热流密度;而对于分离／再附点附近,壁函数的模拟精度相对较差,其原因在于分离／再附点附近的真实速度型与壁函数中速度壁面律形式出现明显差别．     

间断蛇形短翅片强化扁平管传热的研究

针对火电机组空冷凝汽器典型扁平管结构上蛇形翅片长度大,空气在翅片间流动对强化传热的效果受到边界层发展抑制的缺陷,根据锯齿翅片破坏边界层发展强化传热的思想,引入间断翅片结构强化火电空冷凝汽器扁平管空气侧传热．将原有蛇形翅片断开为不连续的蛇形短翅片,分别采用顺排、叉排方式将短翅片布置于扁平管管壁上．通过数值模拟,对短翅片的不同布置方式叫顷排、又排）、短翅片排数,以及不同断开间距下,间断蛇形短翅片间空气的流动与传热性能进行研究．结果表明,与原有连续结构相比,在工程实际应用的空气流动速度范围内,采用间断短翅片结构可以有效提高空气侧的传热性能,且由于间断结构减小了空气与壁面的接触面积,流动的压力损失增加受到抑制．     

天问一号火星巡视探测技术

火星表面地形崎岖,存在表硬里松的欺骗性土壤,光照强度仅为月面的1/5,沙尘天气不可预估,这些恶劣环境将对火星车巡视探测造成通过性和能源风险.此外,由于地火通信受限严重,每个火星日器地交互仅为1～2次,地面无法及时识别风险并控制火星车脱离危险,需要火星车依靠自身解决工作安全性和高效性问题.为迎接火星巡视探测面临的新挑战,...     

利用火星低能电子能谱获取火星磁堆积边界

火星快车飞船（MarsExpress,MEX）搭载的低能电子谱仪可以测量火星附近小于20keV的电子通量数据．利用得到的96段连续测量结果,通过判断能谱拟合参数的方法确定了飞船穿越火星磁堆积层的位置,对这些穿越点进行圆锥曲线拟合后给出了火星磁堆积层（MagneticPileupBoundary,MPB）的大致形状及位置,所得结果与先前火星全球勘探者（MarsGlobalSurveyor,MGS）及Phobos-2飞船给出的结果基本吻合．此外,对获得的穿越点按照火星当地壳磁场强度分类,周围磁场强度较强（〉50nT）的穿越点拟合出的磁堆积层高度明显高于全部穿越点及周围磁场较弱（〈10nT）的穿越点拟合出的磁堆积层高度,很好地反映了火星壳磁场对火星大气与太阳风相互作用的影响．     

竖直壁面敷设多孔层强化膜状凝结传热的分析

基于多孔介质的弥散特性,建立了坚直壁面上利用多孔层强化膜状凝结传热的物理数学模型,通过数值模拟研究了多孔层厚度,有效导热系数的影响考究了多孔层强化凝结传的特性。孔层厚     

微纳通道内稠密气体流动和换热的Monte Carlo模拟

使用Enskog模拟Monte Carlo法(ESMC)对稠密气体在微纳通道内的流动和换热进行了模拟, 并与直接模拟Monte Carlo法(DSMC)和一致性Boltzmann算法(CBA)所得的结果进行了对比, 对微纳通道内稠密气体流动和换热特性进行了分析. 结果表明, 当气体密度较大时, 稠密气体效应对流动和换热的影响不可忽略, 这种效应使得通道内壁面阻力系数减小, 且壁面换热特性也与不考虑稠密气体效应时有所不同.     

沸腾系统的两象性及不确定现象

现论分析高热流下核态沸腾时干斑的相互作用,并用４种类型的金属板做了高热流下的核态沸腾传热实验,指出沸腾系统具有现两象性：流力学特性和自组织特性。在壁面温度相对均匀时,沸腾系统倾向于流体力学特性;而在壁面温度相对不均匀时,沸腾系统倾向于自组织特性。数据的分散性及不确定性主要是由沸腾系统内在的两象性引起的,而不是单屯表面特性的差异。解释了人们对核态沸腾中拐点存在与否的凝问,也指出了干斑的自组织相互作用     

微通道稀薄气体流动换热特性的研究

用直接模拟Monte Carlo方法对处于Kn = 0.05~1.0范围下的微通道内气体的换热特性进行了分析研究, 结果给出了不同Kn数、不同横纵比下通道内气体温度、壁面热流密度的变化曲线以及同一工况下壁面总的热流密度与局部热流密度随进口流速的变化曲线. 结果表明, 微通道内的换热主要集中在进出口处, 中间部分的换热很微弱, 其换热特性与Kn数及通道的横纵比有很大的关系, 进口流速对总的换热量影响不大, 但却改变了局部热流密度的分布.     

岩体粗糙单裂隙流体渗流机制的实验研究

岩体的天然裂隙结构与渗流行为异常复杂,岩体裂隙渗流机制与定量描述一直是岩土、矿业、地质、石油及天然气工程高度关注的难点问题．为了探究岩体粗糙裂隙的渗流机制和粗糙结构的影响,本文通过岩体单裂隙物理模型的水渗流实验,利用Weierstrass-Mandelbrot分形函数和PMMA材料制作了不同分形维数粗糙单裂隙的物理模型,利用高速摄相机记录了粗糙裂隙水渗流的全过程,分析了水渗流性质随裂隙粗糙性的变化规律及粗糙结构对渗流机制的影响,阐述了粗糙结构中水渗流的流动阻力构成,建立了水流阻力与裂隙粗糙性关系的分形模型,提出了粗糙单裂隙分形等效渗透系数和计算公式,为理解和定量描述岩体粗糙单裂隙渗流性质及其与裂隙结构之间的关系提供了实验依据和参考．     

不同下垫面的热带气旋强风阵风系数研究

利用设置在近海海上和海岸上的3个观测塔共同获取的一个强台风过程数据以及3个观测塔1个年度的梯度风实测资料,对观测塔不同方位的下垫面进行分类并定量计算出塔周边不同下垫面的粗糙长度参数,在对强台风＂黑格比＂的强风数据代表性判别和样本筛选的基础上,分析了不同下垫面的热带气旋强风阵风系数变化特征,发现以下观测事实和变化规律：1）依据实测风资料,采用对数风廓线法给出的中性大气层结条件下的粗糙长度参数,能够客观刻画出下垫面的细微变化;2）台风强风阵风系数不随风速大小产生趋势变化,但在粗糙下垫面上会产生很大的变幅,这对工程结构的设计取值将产生重要影响;3）阵风系数的高度变化呈幂指数或对数律分布,幂指数法可更好地拟合较光滑下垫面的近地层阵风系数廓线,对粗糙下垫面对数律拟合效果略好;4）对实测数据的分析还发现,阵风系数与其下垫面粗糙长度之间可用幂指数或线性方程来描述;5）本观测个例的阵风系数与WMO的推荐值存在差异——粗糙下垫面的离岸风阵风系数比WMO推荐值大,而来自光滑下垫面的离海风阵风系数则小于WMO的推荐值.     

STPV系统中辐射吸收器热分析及优化

对太阳能热光伏系统中的能量吸收装置进行了数值模拟,研究了太阳光不平行度对其聚光性能的影响,对不同入口条件下辐射器空腔内的流场分布及壁面温度进行了对比,发现在开口系统中,空气自然对流对辐射器壁温有很大影响,从开口处泄漏的空气会带走壁面及辐射器空腔中的热量,使得壁面温度降低,从而减小了电池的输出功率．最后提出在辐射器开口处布置一种优化设计的选择性薄膜,可减少辐射损失,有效提高辐射器温度及系统输出电功率．     

月球借力发射火星探测器方法研究

为了使运载火箭能够适应更多的火星探测器发射窗口要求,本文提出了一种借用月球引力发射火星探测器的新方案：在满足运载火箭要求的条件下将探测器送入经过月球附近的过渡轨道,利用月球引力改变探测器的运动速度,使得探测器进入地火转移轨道.文中给出了一种两阶段搜索的数值方法,设计了月球借力的火星探测器入轨参数,得到满足运载火箭入轨要求的月球借力地火转移轨道.与传统的地火转移轨道相比,探测器入轨速度差别不大,但是本文提出的转移轨道改善了对入轨点近地点俯角的约束条件,降低了对火箭上面级滑行时间的要求.文中通过一个算例表明了该方法的可行性,仿真结果表明,该方法提高了火箭对发射窗口的适应性,同时也为今后的火星及其他行星际探测器发射任务提供了一种新的选择.     

基于直接控制FFD参数化方法的跨声速层流翼身组合体稳健性设计

自由变形技术(FFD)技术不是对几何外形的直接操作,进行精细化设计时需引入高阶FFD控制体,针对其在参数化几何外形时的局限性,开展了直接控制FFD参数化方法的研究.通过对基础外形典型剖面进行扰动,将扰动量通过参数识别反映到FFD控制节点上,反求控制节点的位移,有效地降低了高阶FFD控制体进行三维外形参数化时设计变量的个数,并且将典型剖面参数化与三维外形灵活结合,更具物理直观性.运用此参数化方法结合四元数网格变形技术,采用γ- Reθt转捩模型进行边界层数值转捩模拟,多种群协作粒子群算法以及自适应采样技术构建稳健性优化设计系统,运用该系统对于跨音速层流翼身组合体进行了稳健性设计,设计结果表明,优化后的翼身组合体在马赫数不确定性范围内不仅可以保持大范围的层流区域,还可以控制激波缓慢发展,具有较好的稳健性.