壅塞效应对低气压管道高速列车气动加热的影响

面对未来真空管道交通系统的发展需求,处于低压受限空间的高速列车将面临Kantrowitz极限等空气动力学问题,由其导致的壅塞效应对列车气动加热影响凸显。采用基于TVD格式的可压缩流动求解器,开展了壅塞/非壅塞条件下的低气压管道列车跨声速流动数值模拟,获得了多种工况下的列车气动加热结果。研究表明,由不同车速和阻塞比组合导致的不同流动状态下的气动加热特性差异明显,壅塞效应带来的复杂流动结构造成列车表面出现局部加热/冷却现象;当阻塞比为0.4时,受壅塞效应的影响,速度在0.5马赫运行时的列车局部温度最低可至?33℃,最高温度出现在马赫数1.5时运行的超声速列车,达到252℃。研究结果对于指导管道列车热环境控制具有重要的理论和工程实际意义。     

非惯性弹道飞行器气动布局设计实践

从阻力主导惯性再入到升力主导机动再入是无动力高超声速飞行器的主要发展方向, 文章讨论了任务使命动力配置飞行模式及总体规模限制下的布局设计原则, 研究了不同构型升阻效率及升力载荷系数与模线形状横截面形状及容积利用率分段装填容积间的关系, 探讨了包括拉起/下压滑翔弹跳/滑翔等射面机动与Z字螺旋锥形空间机动等飞行模式与匹配的气动操纵面设计质心布置压心/静稳定裕度纵横向静动稳定性等, 从热安全角度提出了总体/气动/防热/结构/弹道/控制等多物理场高度耦合下的飞行器热力气动布局多学科设计优化, 结合非惯性弹道飞行器气动布局设计问题, 给出了满足分段容积要求防热要求及操稳要求的飞行器气动构型设计优化实例.      

高温碳氧环境近壁热化学行为及催化特性模拟

火星探测器在高超声速进入飞行段处于高温碳氧环境中,CO_2及其离解产物在近壁面发生扩散、吸/解附和结合等复杂的壁面热化学行为和催化放热过程。这些壁面现象与地球大气氮氧环境有显著差异,且对高超声速气动热的精确预测有重要的影响。考虑壁面有限速率催化作用下近壁面原子/分子结合为CO_2和O_2的反应过程,基于Eley-Rideal催化反应机理,建立描述近壁面热化学行为和催化效应的壁面有限速率反应模型。基于该壁面模型,开展了高超声速化学非平衡气动加热数值模拟,获得的有限速率催化加热量更接近于风洞实验数据。通过多种吸附和催化反应共同作用下的参数化分析,获得了各吸附和催化反应对非平衡气动加热的影响规律。     

探路者号火星探测器气动热和传热耦合分析

本文建立高超声速气动热和结构传热的松耦合计算方法,以探路者号火星探测器为研究对象,开展了探测器高超声速气动热和结构传热的耦合计算研究,分析了探测器进入条件下某轨道点上气动加热和结构传热机理。耦合计算表明,随着时间的推进,表面结构温度逐渐升高,壁面热流相对降低,表面趋向辐射平衡温度。因热防护系统结构传热时间尺度长于飞行器进入过程总时间,探测器进入的真实过程滞后于辐射平衡过程。耦合研究表明,使用耦合计算方法能较好地再现真实的气动加热和结构传热过程。