高温燃气流风洞全尺寸舱段热结构试验技术研究

利用200 MW高温燃气流风洞,开展1:1全尺寸舱段模型热结构/热匹配试验.围绕风洞试验状态调节、介质影响热流设计评估、多台阶长时间热流校测等技术问题,开展高温燃气流风洞舱段类模型试验设计方法研究.引入新的燃气流风洞试验状态调节方法和考虑燃气介质差异的等效冷壁热流修正方法,并通过长时间变工况表面热流测试方法的建立,实现了多工况同步流场校测.试验设计方法有效应用于全尺寸舱段模型热结构/热匹配试验研究中.经试验验证,所建立的长时间大功率燃气流风洞试验设计方法有效可行,实现了全尺寸舱段飞行热环境的有效模拟.      

基于变均布霍尔系数的磁控热防护系统霍尔效应影响

为研究霍尔效应对磁控热防护系统的影响机理,建立并验证了热化学非平衡流场、外加磁场、感应电场的多场耦合数值求解方法.基于均布霍尔系数模型分析了霍尔效应在两种不同磁场强度B_0、不同壁面导电条件下对磁控效果的影响.研究表明,不同壁面导电性下霍尔效应的影响规律不同.绝缘壁面条件下,考虑霍尔效应后壁面热流的变化是附面层内洛伦兹力的变化与激波层厚度的减小二者共同作用的结果.B_0=0.2 T时洛伦兹力增加附加的流体减速作用占主导,磁控热防护效果优于忽略霍尔效应的情况,并且在霍尔系数为5.0达到最优;而当B_0=0.5 T时,激波层变薄对附面层外缘温度的增加占主导,磁控热防护效果变差,并且随霍尔系数的增加壁面热流越来越大.导电壁面条件下,随着霍尔系数的增加,磁控激波以及热防护效果变差,且当β≥5.0时,磁控热防护系统几乎完全失效.     

磁场对水平温度梯度下双层流体热对流的影响

在水平温度梯度下,双层流体交界面的表面张力会出现梯度,驱动热毛细对流运动,造成热剪切层内的扰动.本文数值模拟了不同重力条件下,双层流体内的对流现象,得出了在微重力时,对流运动将引起热剪切层内强烈的扰动.为了减弱这种扰动,我们利用磁场对流体的运动进行控制.为此,又对微重力条件下,不同方向应用磁场下的热剪切层内扰动行为进行了数值研究,结果显示,磁场对热剪切层稳定性有促进作用,加入法向的应用磁场最为有效.     

冲击射流激波振荡与抑制

欠膨胀冲击射流具有复杂的激波结构,并伴随产生高幅值的离散频率单音.通过高速摄像获取的纹影图像并结合噪声测量,对欠膨胀冲击射流激波振荡过程、剪切层不稳定波的模态和离散频率单音的产生进行了系列研究.给出了冲击距离为5倍喷嘴出口直径的复杂流动实验结果分析,射流剪切层不稳定波有对称和非对称两种模态,发现不同模态下的离散频率单音...     

纳秒脉冲等离子体激励控制低雷诺数压气机叶栅激波/附面层干扰探索研究

为了揭示等离子体激励调控低雷诺数压气机叶栅激波/附面层干扰的机理,本文选取典型超音速压气机预压缩叶型,利用大涡模拟研究了纳秒脉冲等离子体激励对低雷诺数下超音速压气机叶型附面层流动的调控作用。首先对低雷诺数工况下超音速压气机叶型流动特性和叶栅通道激波系结构进行了研究,以此设计了两种等离子体激励布局。研究发现,位于叶片吸力面和压力面附面层分离点前的等离子体激励均可通过诱导产生畸变团,触发分离剪切层的K-H不稳定并进一步形成展向大涡结构,促进主流与分离区低能流体之间的掺混从而抑制流动分离。同时叶栅通道激波系结构发生改变,分离区形态与通道激波位置相互关联耦合,附面层黏性损失和激波损失占比变化不尽相同。     

标模外形化学非平衡流场数值模拟

利用三维并行计算代码求解Navier-Stokes方程,数值模拟标模(ELECTRE)化学非平衡绕流,研究真实气体效应对标模气动热特性的影响,反应模型为Dunn和Kang的7组元7反应化学动力学模型.利用典型弹道点的飞行试验数据验证化学非平衡流计算程序的可靠性.在此基础上,研究不同壁面催化条件下攻角和高度变化对热流的影响.计算表明:真实气体效应主要发生在物面附近很薄的激波层内,并使激波脱体距离减小;完全催化壁驻点热流值高于非催化壁热流值;随着攻角增大,热流分布差异明显,而且攻角越大时,物面电子数密度越小;飞行高度越高,O₂和N₂离解程度越低,驻点热流越低.     

非定常膨胀过程中水蒸汽凝结对流场影响的数值分析

采用数值目的对激波管非定常膨胀过程中,汽液相变与流场的相互作用进行了模拟.主要研究了含有水蒸汽的混合气体在激波管中的非平衡凝结过程以及其对流场的作用.结果表明由于水蒸气的凝结释放热量对流场局部进行加热,使流场参数发生扰动而产生凝结激波.经过与凝结激波的相互作用后,流场参数和结构将发生明显的变化.     

水下火箭水平射流初期特征研究

水中工作固体火箭发动机处于重浮力同时作用环境下, 与工作于大气环境下的固体火箭发动机具有不同的工作特性. 为进一步掌握水下固体火箭发动机的工作特性, 对具有重浮力特征的水下射流进行研究, 重点分析重浮力作用下水平喷射射流结构及推力振荡情况, 采用VOF模型对水平喷射且具有重浮力特征的三维发动机模型进行仿真模拟, 对比有/无重浮力下射流气泡的上浮特征, 并采用动量原理对发动机工作初期的射流扰动进行分析, 获得了重浮力下水下固体火箭发动机的推力振荡特征. 研究结果表明: 由于重浮力逐渐占据主导地位, 射流气泡具有明显的上浮特征, 推力与重浮力耦合后在竖直方向产生的翻转力矩更大, 通过与文献中实验对比可见, 采用VOF模型并考虑重浮力后仿真所得射流结构与实验结果更吻合.     

固体粒子通过叶尾激波的运动特性

含尘叶轮机械如烟气轮机。高炉余气透平已得到广泛的使用。其内部是含有固体粒子的气固两相流动,又是有激波的跨音流动。叶片近尾缘区内的固粒运动受到激波的作用,使用常规的理论方法来预测气固两相流的流场会产生误差。本文通过粒子的受力分析建立了固体粒子通过激波时的运动模型。通过数值模拟可以明显的见到固体粒子受到激波的作用,粒子在激波后运动有明显的折转。获得了粒子通过激波的运动特性。     

固体火箭喷焰红外信号随飞行参数的变化

尾焰红外信号是导弹识别、跟踪技术发展所需的重要参数.本文在利用尾喷焰流场结构的工程经验公式获得尾焰温度、浓度和压力分布的基础上,采用宽带 k 分布模型计算尾喷焰的辐射信号,分析了固体火箭发动机尾喷焰红外辐射信号随飞行参数的变化规律.结果表明:在所选的红外探测器工作谱带区间内,固体火箭发动机尾喷焰积分辐射强度随着喷口处燃气温度、马赫数和喷口燃气压力与大气压力比值的增大而增大,随海拔高度的上升而减小.     

超流氦浴中的热波传热研究

热波传热机制是超流氦传热非常重要的一个方面.在小热流密度的情况下,超流氦中的热波完全保持加热热流的波形,热量的传输完全靠热波来完成;随着热流密度的增加到一定程度,会在超流氦浴中激发量子涡旋.量子涡旋使热波发展成为热激波.在开放氦浴中,热波的波形不同于狭窄通道里的热波,在热波的尾部会出现一个冷却波;并且随着加热时间的变化,冷却波的形状和幅度会发生很大的变化.运用二流体模型和涡旋方程对超流氦中的热波进行了计算,实验结果与计算结果吻合得较好. 关键词： 超流氦 热波 量子涡旋 热激波     

土卫六探测器高超声速化学非平衡特性数值计算

为了研究土卫六探测器在地球大气和土卫六大气中飞行时气动热环境的差异,采用数值模拟的方法分别对地球大气成分和土卫六大气成分下探测器前方流场内气动热环境进行了研究,得到如下结论:与地球大气条件相比,土卫六大气条件下探测器表面的热流密度较高,其峰值可达到地球大气条件的1倍以上.探测器表面的热流密度先随着高度的减小而增加,而后...     

Measured local heat transport in turbulent Rayleigh-Bénard convection

Local convective heat flux in turbulent thermal convection is obtained from simultaneous velocity and temperature measurements in an aspect-ratio-one convection cell filled with water. It is found that fluctuations of the vertical heat flux are highly intermittent and are determined primarily by the thermal plumes in the system. The experiment reveals a unique mechanism for the heat transport in turbulent convection.     

Thermal transients and convective particle motion in dense granular materials

The mechanism of dry granular convection within dense granular flows is mostly neglected by current analytical heat equations describing such materials, for example, in geophysical analyses of shear gouge layers of earthquake and landslide rupture planes. In dry granular materials, the common assumption is that conduction by contact overtakes any other mode of heat transfer. Conversely, we discover that transient correlated motion of heated grains can result in a convective heat flux normal to the shear direction up to 3-4 orders magnitude larger than by contact conduction. Such a thermal efficiency, much higher than that of water, is appealing and might be common to other microscopically structured fluids such as granular pastes, emulsions, and living cells.     

Dependence of heat transport on the strength and shear rate of prescribed circulating flows

We study numerically the dependence of heat transport on the maximum velocity and shear rate of physical circulating flows, which are prescribed to have the key characteristics of the large-scale mean flow observed in turbulent convection. When the side-boundary thermal layer is thinner than the viscous boundary layer, the Nusselt number (Nu), which measures the heat transport, scales with the normalized shear rate to an exponent 1/3. On the other hand, when the side-boundary thermal layer is thicker, the dependence of Nu on the Peclet number, which measures the maximum velocity, or the normalized shear rate when the viscous boundary layer thickness is fixed, is generally not a power law. Scaling behavior is obtained only in an asymptotic regime. The relevance of our results to the problem of heat transport in turbulent convection is also discussed. Received 28 November 2001 Published online 25 June 2002     

Efficient time-resolved thermal characterization of single and multi-injector rocket combustion chambers

In this work, an efficient methodology for the time-resolved thermal characterization of rocket combustion chambers at reasonable computational cost is presented. The multi-scale and multi-physics numerical framework tackles simultaneously an arbitrary number of contiguous domains, either fluid or solid, and takes advantage of several modeling solutions aimed at stiffness reduction. Non-premixed turbulent combustion is handled through a flamelet-based approach accounting for non adiabatic and non equilibrium effects, thermal wall functions adapted for rocket operating conditions are employed to overcome the stiffness induced by the boundary layer, and a coupling strategy is implemented to guarantee temperature and heat flux continuity across the interfaces. The coupling strategy is based on a Conjugate Heat Transfer (CHT) condition, yielding the interface temperature as a result of a heat flux continuity constraint, and is then reformulated for convection-dominated phenomena, allowing for a further reduction of the computational cost. This allows for the simulation of long time windows, of industrial and experimental relevance. In particular, the solution of the chemically reactive flow is initialized with a CHT condition, and replaced, upon attainment of a statistical fluid dynamic steady state, by an equivalent convective boundary condition. The numerical framework is validated and tested by means of several 2D and 3D cases, the latter consisting in both single-element and multi-element experimental combustor chambers operating in rocket-like conditions.     

磁场对二元合金凝固过程中糊状层稳定性的影响

利用线性稳定性方法研究了外加磁场对二元合金凝固过程中糊状层稳定性的影响,且模型同时考虑了温度场、浓度场和流动的耦合作用.利用计算得出的色散关系式分析了磁场对糊状层稳定性的影响,其中包括直接模式和振荡模式.给出了不同情况下外加磁场对糊状层稳定性的影响,发现磁洛伦兹力可以减小由浮力引起的失稳效应.振荡模式下外加磁场对糊状层产生稳定作用,但直接模式下外加磁场对糊状层的稳定作用具有不确定性.本文所给出结果为工业中利用外加磁场改善产品的质量提供了重要的理论参考.     

航天器密封舱微重力对流换热的数值分析

本文以某航天器密封舱热控设计为背景，对其密封舱空间对流换热问题进行了三维流动与传热数值模拟。考虑到空间微重力等一些特殊因素等影响，着重分析模拟了密封舱压力变化、地面自然对流和空间微重力以及风扇设计状态等变化因素对密封舱对流换热影响关系。分析表明，风扇对流强化换热效果明显，可以忽略地面自然对流影响，而且使舱内空气温度均匀。     

液滴撞击液膜的流热耦合界面追踪方法数值模拟

采用界面追踪方法研究蒸馏过程中液滴撞击高温薄液膜的流动和传热特性，将数值结果与解析解和实验进行比较验证模型的正确性，研究气液界面和热流分布的演变过程.同时，分析液滴We数和无量纲液膜厚度对传热的影响.液滴撞击后的热流密度分布显示：液膜可分为撞击区、过渡区和静态区.由于液滴的撞击作用，强制对流是撞击区内主要的传热机制.增大液滴的韦伯数或减小无量纲液膜厚度会加强热量传递.随着液滴韦伯数的增加，冲击引起的扰动增强，在动量和能量共同作用下，平均热流密度明显增大，撞击区冠状水花越明显.无量纲液膜厚度越小，平均热流密度越大，且有更长的时间保持高热流密度换热.     

高超声速飞行器磁控热防护系统建模分析

针对高超声速飞行器防热, 搭建了螺线管磁控热防护系统的物理模型. 采用低磁雷诺数磁流体数学模型, 分析了外加磁场强度及磁场形态对磁控热防护效果的影响. 对比了三种磁场类型(磁偶极子、螺线管、均布磁场)下磁控热防护效果的差异, 分析了螺线管几何参数对磁控热防护效果的影响. 研究表明, 磁场降低表面热流作用存在“饱和现象”; 三种磁场形态的磁控热防护能力从小到大依次为磁偶极子、螺线管、均布磁场; 相同驻点磁感应强度条件下, 增大螺线管半径有利于提高磁控热防护效果, 缩短螺线管与驻点距离不利于驻点和肩部防热, 螺线管长度对磁控热防护效果影响相对较小.