泰氟龙烧蚀对黏性激波层电子密度的影响

采用黏性激波层基本方程组对有无泰氟龙烧蚀两种情况下的钝锥体化学非平衡绕流作了数值求解,以研究泰氟龙烧蚀对流场电子密度的影响规律.算例结果表明:泰氟龙烧蚀确有降低流场电子密度的效应.平衡催化壁工况下这种效应的强度,显著大于非催化壁工况下的强度;远下游截面处的这种效应的强度,显著大于驻点区的强度.此外,通过计算结果分析,对形成上述影响规律的原因作了初步讨论.     

横向磁场对电离非平衡高速气流的作用

本项工作从实验和理论两方面研究横向磁场对电离非平衡高速气流的作用。在小型电弧风洞中可以将试验气流的电子密度降低约一个数量级,为部分地控制低密度电弧风洞气流的电特性品质提供了一种技术途径。     

高导C/C材料在疏导式热防护中的应用探索

针对高超声速飞行器飞行时气动加热严重的问题，为了保证高升阻比外形，提出疏导式热防护结构，建立了一套内置高导C/C材料的疏导式热防护结构原理模型，通过数值模拟和电弧风洞的方法对疏导式热防护结构进行了分析，得到内置高导C/C材料的防热效果．数值模拟结果表明来流马赫数为8时，模型驻点温度下降了500度，柱面最低升高了380度，实现了热流从高温区到低温区的疏导，减弱了端头的热载荷，强化了端头的热防护能力．通过电弧风洞试验可以获得相似的结果，内置普通C/C材料表层抗氧化层出现严重烧蚀，而内置高导C/C材料基本不变，验证了数值模拟方法的准确性以及内置高导C/C材料疏导式热防护结构的有效性．     

高超声速点泉流场中的气动力

高超声速点泉流场是一种典型的非均匀来流流场。很多高速高焓地面实验设备,如具有锥型喷管的激波管风洞、炮风洞、电弧风洞等,其流场均具有高超声速球型膨胀的点泉流动特征。某些外部绕流也是如此。我们要用简便而正确的解析方法确定这种非均匀来流中物体的气动力,分析非均匀来流对压力分布及各种气动特性的影响。已有的一些     

模拟Chelyabinsk小行星进入的烧蚀实验

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制:碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.      

ARCJET ABLATION EXPERIMENT TO SIMULATE THE CHELYABINSK ASTEROID ENTRY 1)

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制：碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.     

铱丝静电探针及其在高温风洞中应用

本文介绍一种可测量高温气流电子密度、电子温度等参数的静电探针,并给出适用于空气等离子体的探针理论曲线。这种铱丝探针已成功地应用于电弧风洞。     

蜂蜡球锥的驻点烧蚀研究

1.引言 飞行器再入大气层时受热情况严重,表面要发生严重的烧蚀,外形要发生显著的变化,驻点的烧蚀更为严重。这一烧蚀过程能否由蜂蜡这种低温液态层材料在高超音速风洞中再现,能否通过对蜂蜡球锥的驻点烧蚀研究为液态层材料的烧蚀图象形成机理和发展规律提供依据,为两相流问题的理论研究提供实验资料,这便是我们进行蜂蜡球锥驻点烧蚀研究的目的。     

六相交流放电再入飞行器热环境地面模拟研究

再入飞行器高速飞行过程中,其表面受到强烈的气动加热作用,所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料,影响飞行器结构的可靠性.因此,基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟,对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义.文章基于数值模拟,分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律,提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法.基于此,首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则,基于六相交流电弧放电等离子体实验平台,产生了大体积、高气体温度,且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流.然后,对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验,在壁面热流密度为1.07～3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果,初步验证了该方法的可行性.对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验,在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下,获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果.这表明在不采用高成本风洞的前提下,本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.     

同轴全息诊断微喷物的密度控制装置

针对利用激光同轴全息技术诊断冲击加载下金属材料微喷场的过程中,材料喷射密度过大或喷射面积过大等因素导致激光无法穿透微喷场,从而影响微喷粒子的全息图记录和再现等情况,提出了2种密度控制方法并设计了相应的控制装置,在实验中使用取得了显著的成效,获得了铅、锡等材料微喷粒子场的全息图,通过再现处理给出了微喷粒子的空间分布、大小、数量等统计信息。     

气动载荷下防热材料剥离颗粒输运特性的直接数值模拟研究

高超声速飞行器防热材料在气动载荷下发生机械剥蚀,进而影响绕流流态、气动性能、热载荷等,相关颗粒剥离动力学是高超声速热防护系统设计及防热材料体系评价中的共性基础性科学问题.研究通过近壁流动量纲分析,将烧蚀颗粒剥离过程模化为单个圆球惯性烧蚀颗粒在Couette流动中的动力学问题,并采用颗粒解析的直接数值模拟方法开展数值研究,获得了烧蚀颗粒关键特征参量对颗粒输运动力学的影响规律.研究发现,随着颗粒/流体密度比ρr越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平和法向输运速度均减小;随着颗粒粒径d p越大,颗粒惯性St越大,则颗粒水平输运速度减小,但是,法向输运速度和位移均因大颗粒受到更大的Saffman升力而增大.此外,烧蚀颗粒法向位移远小于水平位移,颗粒以水平输运为主.本研究最终建立了颗粒启动速度归一化表达式,发现归一化颗粒启动速度是颗粒和流体惯性的函数,即颗粒水平输运速度等于流体微团或中性浮力颗粒的速度减去惯性修正项.研究结果为烧蚀颗粒调制边界层作用机理研究提供支撑.     

典型部件疏导式热防护试验技术研究

疏导式热防护是一种新型非烧蚀热防护技术,对未来高超声速飞行器发展具有十分重要的意义。为了验证疏导式热防护原理的有效性、合理性和优越性,并考核疏导式热防护技术实现途径的可行性,在传统热防护试验模拟技术的基础上,开发了大功率长寿命电弧加热和对流辐射耦合加热等试验技术,并考核了高温热管球柱疏导模型的疏导效果。电弧风洞试验结果表明:在高温热管球柱疏导模型防热层装入快速导热元件后,可以有效降低驻点高热流区的表面温度,提升低温区的表面温度,从而降低整体温差基本实现非烧蚀。由此可知该试验方法能够满足典型部件疏导式热防护机理探索及性能考核研究的需要。     

有关多层流体对流的研究

简述多层不相混流体系统的研究发展，尤其是在空间材料生长过程中的应用；介绍多层流体系统内流体对流及传热现象，以及利用理论分析、实验研究和数值模拟方法研究二层及三层流体内的自然对流及热毛细对流的成果，并分析探讨覆盖液体层对被覆盖液体的动力控制特性及其系统的稳定性     

液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流模型及数值模拟

在理论分析的基础上 ,结合实验条件建立了液体发射药电热化学发射内弹道一维两相流数学模型 ,该模型包含电弧等离子体生成和运动、等离子体卷吸液体发射药生成小液滴以及膛内多相流体的相互作用。利用该模型对电热化学发射内弹道过程进行了数值模拟 ,并将模拟结果与实验数据进行了分析比较 ,结果表明模拟结果与实验数据基本吻合。     

真空电弧的光谱诊断

本文在多重态热力学平衡的基础上,通过光谱测量,测得了真空电弧的电子密度、电子温度和蒸气密度,结果说明,真空电弧处于热力学非平衡态     

液态金属熔池中气泡-液体两相湍流的数值模拟研究

应用欧拉-欧拉双流体模型,以及分别描述气泡和液体湍流的两相湍流模型,描述液态金属中气体射流发泡过程的两相流动及气泡分布。与实验结果的对比表明,本模型的预测能力优于前人未考虑气相湍流的模型。考查了液体物性和气泡尺寸对流场特性的影响,结果发现,液体密度越低,气泡尺寸越小,气泡分布就越均匀。     

温度对菱形花纹的影响

研究了温度对蜂蜡和樟脑制成的尖锥模型上的菱形花纹的影响。烧蚀实验在超音速风洞中进行,得到了温度与花纹波长、压力与花纹波长的关系,并分析了温度和压力对出现花纹的起始位置、出现花纹和形成稳定花纹所需要的时间的影响。     

THE INVESTIGATION OF EXPERIMENTAL TECHNIQUE FOR HIGH TEMPERATURE GAS JET FLOW TEST IN IMPULSE WIND TUNNEL

报道关于高温燃气自由喷流（热喷流）、燃气喷流／主流干扰流对气动热环境影响的实验研究结果．其意义在于：抽象出高超声速飞行器实际飞行时燃气喷流及其干扰流的物理模型，为高超声速飞行器防热需求提供实验依据．实验主流由脉冲风洞提供，燃气喷流用氢氧燃烧驱动路德维希管的方式产生．利用脉冲风洞驱动段压力信号自动控制热气源的产生以保证风洞主流与燃气喷流同步，利用氢气、氮气和氧气的不同比例实现燃气喷流的热力学相似．实验技术上完成了高温燃气喷流系统的参数采集与系统状态标定；实验内容上开展了压缩拐角平板模型的气动热实验研究，通过实验比较了只有主流流场、只有热喷流流场和既有主流流场又有热喷流流场（即干扰流场）3种工况的热流分布．实验研究发现，热喷流／主流相互干扰会对压缩拐角平板上某一范围内的气动热环境造成显著影响，热流峰值较无喷流流场高出一个量级．     

流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层数值研究

对流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层进行了数值分析．研究了气体模型、化学反应速率常数和壁画催化对边界层特性的影响．研究表明，气体模型对烧蚀产物组元浓度大小的排序有很大影响，但不同气体模型造成的电子数密度差最大仅一个数量级；不同的氟碳反应速率常数，虽在非催化壁条件下，对组元浓度剖面有强烈影响，但对电子数密度剖面，不管壁面催化特性如何，几乎都没有影响；表面烧蚀可能引起边界层分离．     

流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层数值研究

对流过泰氟龙烧蚀表面的化学非平衡边界层进行了数值分析．研究了气体模型、化学反应速率常数和壁画催化对边界层特性的影响．研究表明，气体模型对烧蚀产物组元浓度大小的排序有很大影响，但不同气体模型造成的电子数密度差最大仅一个数量级；不同的氟碳反应速率常数，虽在非催化壁条件下，对组元浓度剖面有强烈影响，但对电子数密度剖面，不管壁面催化特性如何，几乎都没有影响；表面烧蚀可能引起边界层分离．