热膨胀系数异性轴夹角优化分析

高超声速飞行器需要先进的材料进行热防护,比如增强碳/碳材料.有两种将碳纤维制作成碳/碳球锥外形的工艺,研究表明在每种工艺中,碳/碳块体或碳纤维热膨胀系数异性轴角度对结构热应力影响很大,为此本文发展了一套优化设计方法,对给定的对流加热温度场可以实现球锥热应力的最小化.分析结果表明对于热膨胀系数异性轴角度,存在某些取值点,那时结构热应力分别达到最大和最小值.在异性轴模晕小于同性平面模量的条件下,对于工艺1,如果将球锥对称轴设置成垂直于碳/碳块体的同性平面,可以将热应力减至最小;对于工艺2,如果能将编制面内的碳纤维束异性轴角度取成负值(即指向来流方向),则球锥热应力也可以得到相当程度的减小.     

可重复使用飞行器热走廊物理建模研究

对再入热走廊的物理含义进行了定义分析,为使防热层温度不超过热防护系统所允许使用的极限温度,可重复使用飞行器的飞行轨道必须在再入走廊热之内。建立了可重复使用飞行器再入热走廊的物理模型,给出该物理模型下热走廊的控制方程和求解方法。通过对航天飞机轨道器典型位置的再入热走廊与传统方法的验证分析,说明本文建立的可重复使用飞行器再入热走廊物理模型和求解方法是正确的,同时探讨了表面材料承受温度和发射系数对热走廊的影响规律。     

炭化烧蚀材料热解膨胀和线膨胀对内部温度场影响研究

本文根据炭化烧蚀材料的防热机理,认为防热材料表面化学烧蚀后退、热解膨胀和内部温度升高引起线膨胀是造成防热层厚度变化的因素,国内外学者主要研究了表面化学烧蚀后退对飞行器外形变化和温度场的影响,而对于后两者的具体影响却少有研究。本文数值模拟了高硅氧-酚醛炭化材料的烧蚀热响应过程,分析和解释了计算结果,说明了防热材料的线膨胀和热解膨胀对外形和温度场有较大的影响。     

等温竖平板通道自然对流端部效应的实验研究

一、引言 平行平板通道自然对流换热的数值求解常采用二维假设,用干涉法测量通道内气流温度场也是在二维场的前提下进行.然而,工程实际中所遇到的通道自然对流问题总会有端部效应存在.目前,可以说明二维假设的适用范围的实验结果很少.sparrow曾用质交换的方法研究了通道自然对流换热,并得出如下结论:如果(b/h)Ra大于10,则通道两端封闭与否对总换热量无多大影响,系统可看作是二维的.本文着重讨论端部效应对通道自然对流速度场的影响,试验研究了端部效应的强弱与通道几何尺寸和平板与环境的温差的相互关系.     

再生冷却红外窗口热响应特性耦合计算研究

本文对强对流加热环境下带再生冷却系统的红外窗口传热和热应力问题进行了数值模拟,采用一维管流假设,管流和固体结构传热采用耦合方式求解.研究表明:(1)在本文计算状态下模型温度和热应力都是随加热时间而增加的,最大温度发生在窗口表面的填充材料和石英玻璃中部,最大热应力发生在合金材料内部;(2)现有冷却管道配置下工质温度没有异常变化;(3)窗口区合金温度一直在升高,若飞行时间进一步延长,要考虑合金温升给窗口防热带来的不利影响;(4)在现有温度分布状态下,内冷管道的引入并未给结构强度造成薄弱环节.     

多维迎风方法在非结构/混合网格热流计算中的应用研究

非结构/混合网格具有极强的几何灵活性,在复杂外形飞行器的气动力特性数值模拟中已得到广泛应用,但目前还难以准确地预测气动热环境。本文从非结构/混合网格热流计算的三个需求出发,选取了多维迎风方法,并与其他方法进行了对比研究。以二维圆柱高超声速绕流这一Benchmark典型问题为例,对比研究了多维迎风方法和几种广泛使用的无粘通量格式(Roe格式、Van Leer格式和AUSMDV格式)对混合网格热流计算精度的影响。结果表明,多维迎风方法在热流计算精度、鲁棒性以及收敛性方面表现良好。最后,将多维迎风方法应用于常规混合网格上的圆柱和钝双锥绕流问题,均得到了较好的热流计算结果,为非结构/混合网格热流计算在复杂高超飞行器中的应用奠定了基础。     

防热材料起泡现象的物理建模和计算方法研究

一些烧蚀试验发现特定配方的有机涂层防热材料在受到加热时,在有机物热解时除产生通常的炭化层外,在热解区附近还会出现较严重的起泡物理现象,在防热层内部区域形成很明显的较大泡沫,使防热层厚度增加,改变了防热材料的传热性能和物理模型,减缓了热量向内部结构的传递,降低内部结构的温升,对防热结构设计非常有利.本文细致分析了外部加热时有机涂层的热解烧蚀过程,初步建立防热材料起泡现象的物理模型和控制方程,数值模拟了起泡现象对内部温度场结果的具体影响,并与试验结果进行了比较.     

球头高超音速热绕流的研究

本文研究了加热（冷却）对流动的影响。通过计算分析了在不同来流马赫数和加热量下，加热对球头高超音速绕流的影响规律。研究表明，加热对流动有着显著的影响，将使流动出现“热斥冷吸”、表面压力和激波距离增大、加热与冷却影响的非线性、加热使超音速区内马赫数下降趋向于１等现象。     

窗口区域烧蚀瞬态热响应耦合计算与温升规律研究

本文针对航天器窗口区域局部防热结构，进行了数值计算和研究，成功地解决了材料热解、烧蚀以及复杂形状和边界传热的耦合计算问题。本文还针对防热结构均匀加热与表面变化加热量两种不同的加热条件；计算分析了有关温升规律的差别及其物理原因，为防热设计提供参考。