迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统冷却效果研究

对迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统的冷却效果进行了分析, 研究了相同总压不同流速的逆向喷流对组合结构的流场、气动受力及壁面传热的影响. 通过与相关的实验结果对比, 验证了数值方法的可靠性. 研究发现:该结构能够有效地对飞行器鼻锥表面进行冷却, 引入很小总压的逆向喷流(逆喷总压比 PR=0.1), 组合结构的冷却效果就可以远远优于单一的迎风凹腔; 相同逆向喷流总压下, 逆喷速度越高, 逆喷流量越大, 外壁面的冷却效果越好; 随逆喷流速提高, 气动阻力也进一步减小. 本文研究的组合结构非常适用于远程、 需长时间飞行的高超声速飞行器的热防护.     

高速受限混合层结构和效应实验研究

受限混合层的流动主要是喷流与自由来流相互剪切形成的混合层受到壁面的限制而形成的一种流动.文章采用后向台阶平板模型研究了高速高压比条件下的受限混合层的典型流场结构以及冷却效率.实验自由来流Mach数为5, 喷流的Mach数为1.28, 喷流总压为0.2~0.7 MPa, 通过调整冷喷气流的总压, 基于纹影流动显.形成喷口附近波系的欠膨胀流动现象的深刻认识, 提取波系特征与流动参数之间的规律.基于流动显示及实验测量结果, 通过分析流场中大尺度结构的空间演化规律, 揭示流动参数对于冷却效率的影响规律及物理内涵.采用快响应压敏漆(FRPSP)技术在高超声速风洞开展热流分布和冷却效率研究, 获得了平板对受限混合层冷却效率的影响.      

支板凹腔一体化超燃冲压发动机实验研究

本文针对以凹腔支板一体化燃烧室为基本结构的超燃冲压模型发动机在自由射流风洞中的性能,主要研究了燃料在不同位置喷入时,燃烧室几何结构/气动性能/燃料混合及燃烧特性的相互耦合,以及对发动机推力性能的影响.结果表明支板与凹腔的一体化在合理配置燃料分布情况下可以获得较好的发动机性能.     

薄片激光器喷流冷却技术

为了分析喷流冷却技术对薄片激光器的冷却效果,从湍流换热理论出发,定义了评定喷流冷却换热能力和冷却均匀性的两个参数:面均对流换热系数和平均最大温差。利用ANSYS CFX流体力学仿真软件,建立喷流冷却的物理模型,对多种喷板结构进行求解计算。设计加工了整套喷流冷却实验装置,并进行了模拟热源喷流冷却实验。分析结果表明,喷流冷却换热能力和冷却均匀性主要受喷板结构参数的影响,仿真计算结果可以定性地指导喷板结构参数的优化设计。     

翼梢侧向喷流干扰特性数值模拟

当弹体表面安装喷管时,在喷管迎风条件下往往出现不利的侧向喷流干扰,翼梢安装喷管能减弱这种不利干扰.采用有限体积离散方法求解N-S方程,研究了旋成体-边条翼-舵组合体翼梢安装喷管的侧向喷流干扰特性和规律.分析了干扰流场结构和喷流干扰因子随Mach数、攻角、飞行高度等参数的变化特性.研究结果表明:翼梢喷流干扰形成了非常复杂的流场结构,虽然翼梢喷流远离弹体,仍对弹体、翼、舵上的载荷产生明显影响,在不同飞行条件下干扰范围和强度明显不同.喷流气动干扰因子规律复杂并呈非线性变化,干扰因子大于0.5的范围明显增加,有效增加了喷流控制使用范围.但在某些条件下仍然出现较大负值,产生严重不利干扰现象.      

带喷流超声速光学头罩流场气动光学畸变试验研究

超声速光学头罩在大气层内飞行时, 需要在光学窗口表面顺来流方向进行喷流冷却, 致使窗口上方流场更为复杂. 目标光线穿过窗口上方流场, 受到激波、膨胀波、混合层、湍流边界层等流场结构引起的变密度场影响而产生波前畸变, 导致成像出现偏移、抖动、模糊等气动光学效应. 本文对马赫数3.8来流条件下有无喷流时超声速光学头罩流场引起的气动光学波前畸变进行了试验研究. 基于纳米示踪的平面激光散射技术, 首先对流场图像进行密度校准获得高时空分辨率密度场, 然后采用光线追迹法计算得到波长532 nm平面光波垂直于光学窗口穿过流场后的光程差(optical path difference, OPD)分布, 并对窗口上方近壁区有无喷流状态的流场结构引起的 OPD分布进行了研究. 发现无喷流时, 流场结构相对较为简单, 窗口上方有较长的回流区和层流区, 而有喷流时窗口上方出现复杂的剪切层、混合层及湍流边界层, 流动很快就转捩为湍流结构, 其引起的气动光学畸变要明显高于无喷流状态. 无喷流状态相隔5 μs的流场引起的光程差均方根值分别为0.0348 和0.0356 μm, 有喷流状态的光程差均方根值分别为0.0462 和0.0485 μm. 关键词： 超声速 喷流 气动光学 光程差     

进气方式对冲击与气膜组合冷却效果的影响

通过数值模拟的方法,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及进气方式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:冷气进口雷诺数Re=2000～5000,吹风比M=0.6～2.0.计算结果表明:冷气进口雷诺数、吹风比以及冷气的进气方式对组合冷却效果均有很大影响.(1)冷气进口雷诺数越高、吹风比越大,组合冷却效果越好.(2)反向进气时的组合冷却效果明显好于正向进气时的组合冷却效果.     

进口条件对超燃冲压发动机氢气燃烧流场特性的影响分析

对不同进口条件下的超燃冲压发动机燃烧室内氢气喷流超声速燃烧流动特性进行了数值模拟与分析.宽范围超燃冲压发动机是吸气式高超声速飞行器推进系统设计中的热点问题之一,受实验设备硬件条件及实验技术限制,数值模拟技术仍然是超燃冲压发动机燃烧室内燃气燃烧特性及流场特性的主要研究手段.采用基于混合网格技术的多组元N-S方程有限体积方法求解器,在不同进口Mach数及压强条件下,对带楔板/凹腔结构的燃烧室模型氢气喷流燃烧流场进行了数值模拟,对比分析了氢气喷流穿透深度、喷口前后回流区结构、掺混效率及燃烧效率等流场结构与典型流场参数的变化特性及影响规律.研究成果可为宽范围超燃冲压发动机喷流燃烧流动特性分析提供参考.      

等离子体气动激励对气膜冷却特性的影响

采用大涡模拟方法研究了锯齿电极等离子体激励器气动激励对圆形孔和扇形孔平板气膜冷却效率和气动损失的影响。结果表明:锯齿电极激励器气动激励产生的动量注入效应促使边界层流体加速而提高了冷却气流向下游的延伸能力;锯齿电极激励器气动激励诱导的反肾形涡对削弱了肾形涡对的强度与尺度,减少了下游冷、热流体间的掺混,使得扇形孔的中心线和展向平均气膜冷却效率相对于圆形孔最大提高了130%和300%,肾形涡对控制区内的掺混总压损失显著减小;锯齿电极激励器气动激励导致气膜孔内的流动损失略有增大而使其成为影响总压损失的重要因素;锯齿电极激励器气动激励导致圆形孔的熵增升高了26%,但使得扇形孔的熵增减小了41%。     

高超声速流场成像质量特性及校正方法

光学成像制导飞行器在大气层中以高超声速飞行时，其成像窗口附近强压缩流场的气动光学效应会导致成像过程出现抖动、偏移和模糊，影响制导精度.为研究该问题，搭建了基于高超声速（Ma = 6.0）炮风洞的气动光学地面模拟平台.利用高速摄像机获取了多种喷流压比状态下光学头罩成像图片，研究了成像特性.基于背景纹影技术（background oriented schlieren，BOS）直接获取气动光学畸变的点扩散函数信息，结合Wiener滤波方法对地面模拟平台获取的成像畸变结果进行了校正，并结合灰度分布、峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio，PSNR）和结构相似度（structural similarity，SSIM）对校正结果进行了定性和定量评价.成像结果表明，头罩无冷却喷流时成像质量最好，在压力匹配附近头罩成像质量相对于欠压喷流和过压喷流成像质量较好.图像校正结果表明，风洞运行过程中采集的时间序列图像在校正之后所对应的灰度分布情况、PSNR和SSIM都得到提高.      

Forward-facing cavity and opposing jet combined thermal protection system

This paper focuses on the design of a forward-facing cavity and opposing jet combined configuration for thermal protection system (TPS) of hypersonic vehicles. The cooling efficiency of the combined TPS was investigated numerically, and the numerical method was validated by the related experiment in the open literature. The flow field parameters, aerodynamic force, and surface heat flux distribution were obtained. The detailed numerical results show that this kind of combined TPS has an excellent impact on cooling the nose-tip, and it is suitable for the thermal protection of hypersonic vehicles which require long-range and time to cruise.     

Numerical investigation on properties of attack angle for opposing jet thermal protection system

The three-dimensional Navier-Stokes equation and the k-ε viscous model are used to simulate the attack angle characteristics of a hemisphere nose-tip with an opposing jet thermal protection system in supersonic flow condition. The numerical method is validated by the relevant experiment. The flow field parameters, aerodynamic forces, and surface heat flux distributions for attack angles of 0°, 2°, 5°, 7°, and 10° are obtained. The detailed numerical results show that the cruise attack angle has a great influence on the flow field parameters, aerodynamic force, and surface heat flux distribution of the supersonic vehicle nose-tip with opposing jet thermal protection system. When the attack angle reaches 10°, the heat flux on the windward generatrix is close to the maximal heat flux on the wall surface of the nose-tip without thermal protection system, thus the thermal protection is failure.     

Numerical investigation on properties of attack angle for an opposing jet thermal protection system

The three-dimensional Navier-Stokes equation and the k-ε viscous model are used to simulate the attack angle characteristics of a hemisphere nose-tip with an opposing jet thermal protection system in supersonic flow conditions.The numerical method is validated by the relevant experiment.The flow field parameters,aerodynamic forces,and surface heat flux distributions for attack angles of 0°,2°,5°,7°,and 10° are obtained.The detailed numerical results show that the cruise attack angle has a great influence on the flow field parameters,aerodynamic force,and surface heat flux distribution of the supersonic vehicle nose-tip with an opposing jet thermal protection system.When the attack angle reaches 10°,the heat flux on the windward generatrix is close to the maximal heat flux on the wall surface of the nose-tip without thermal protection system,thus the thermal protection has failed.     

内嵌定向高导热层疏导式结构热防护机理分析

针对飞行器高超声速飞行时严重的气动加热环境, 提出内嵌定向高导热层的疏导式热防护系统. 运用数值方法分析了特定条件下内嵌定向高导热层的疏导式系统的防热效果, 外壁面最高温度下降了9.1%, 内壁面最高温度下降了31.5%, 高温区和低温区都被封闭在外层区域, 内层温度更加均匀, 实现了热流由高温区向低温区的转移, 削弱了高温区的热载荷, 强化了整体结构的热防护能力. 研究表明, 随着气动热流密度比与辐射散热面积比的增大, 疏导结构的冷却效果增强. 本文还对疏导防热系统的结构参数和材料参数对冷却效果的影响进行了分析, 为结构的设计和材料的选取提供一定的依据.     

前缘一体化高温热管结构防热效果的实验研究

为了研究复杂构型前缘一体化高温热管结构在高热流密度状态下的防热效果, 设计了飞行器气动加热轨道, 实现了高温热管低状态完全启动、高状态极限考核。然后采用超声速电弧风洞驻点自由射流结合轨道模拟技术, 模拟乘波体飞行器的前缘疏导构件的气动加热环境, 开展了前缘一体化高温热管结构防热效果研究。实验结果表明, 一体化高温热管结构能够多次使用, 低状态下高温热管的启动时间约为115 s, 在高状态下结构依然有效, 降温系数达到24.5%, 验证了前缘疏导式防热结构的防热效果, 可为未来新型高超声速飞行器非烧蚀热防护系统的设计提供指导。      

发动机喷流对火箭气动特性影响

开展了考虑底部发动机喷流影响的火箭气动特性CFD仿真设计,比较了有/无喷流时火箭附近流场结构、表面压力分布、整体气动力/力矩特性在亚/超声速段的差异,结果显示,发动机喷流对火箭亚声速段的轴向力、法向力和俯仰力矩特性均有较为显著的影响,且有减小尾部空气舵气动控制力矩的影响,而超声速段的影响仅限于轴向力。该仿真结果与飞行试验气动辨识结果较为一致。基于仿真分析结果,可建立一种折中考虑喷流影响的气动特性设计方法,供火箭精细化气动特性设计参考使用。      

类前缘防热层流场与热响应耦合计算研究

本文在以往对类前缘防热层热响应计算分析基础上,进一步研究实现了外流场高超音速NS方程数值计算表面气动加热与防热层结构热响应的耦合计算,这对于常用的非耦合计算方法来说是一进步,也为进一步开展外流场/结构热响应/热应力全耦合一体化计算研究和防热层表面吹气强化传热问题的场协同研究打下了基础。     

Suppression effect of jet flow on pulsating pressure of cavity using scale-adaptive simulation model

The suppression of the aerodynamic noise in the cavity has a great significance to solve relevant puzzles of weapon bays.Acoustic field of the standard cavity model is simulated by using the computational fluid dynamics technology based on scale-adaptive simulation(SAS)model.The results obtained by the proposed method in this paper show reasonable agreement with experiments.On the basis of this,effect of different jet flow rates on the time-averaged variables,turbulent kinetic energy,root mean square(RMS)of sound pressure,sound sources distribution and the pulsating pressure distribution in the cavity is studied.The analysis shows that the jet flow has great influence on the cavity flow field and the distribution of pulsating pressure RMS by changing the morphology of the shear layer.The most obvious of these measures is spout4 configuration,the influence mainly in the form of reducing the pulsating pressure of the whole cavity and changing the sound pressure level in the far field.The results show that different jet flow rates have different control effects on pulsating pressure in the cavity and sound pressure level in the far field.Furthermore,the jet flow rates and the suppression effect on the pulsating pressure have no linear relation.     

透平叶栅气膜冷却效果的数值研究

本文基于二维粘性数值模拟分析了某透平叶片气膜冷却的效果。在系统分析了冷却气流的喷射速度、喷射角度和温度的影响之后，得到了一些对叶片设计非常有用的结果和结论，同时探讨了本研究发展的数值方法和程序用于工程设计的可能性。