高超声速边界层液膜演化过程和冷却机理研究

高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质,在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜,阻止高超声速气流对飞行器的气动加热.其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力.文章采用数值方法,结合VOF模型,研究25 km飞行高度和Ma=5气流条件下的液膜铺展情况,并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和黏性系数条件,讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理.结果表明,在气流作用下,液膜向壁面下游发展,液膜的存在导致边界层分离,连续液膜会在一定位置断裂为液块,然后进一步破碎为液滴.入射条件和液体性质的改变,会影响液膜沿流向的发展,具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度.在所设定的计算域内,壁面热流降低了80%～95%,液膜对壁面的冷却效率随着液膜形态的变化而变化.     

电子发汗冷却技术及其研究进展

电子发汗冷却是一种新型的高超声速主动热防护技术,利用材料的热电子发射效应,通过热电子将热载荷转移至流场下游,降低了尖前缘结构热流密度峰值和梯度,为高超飞行器尖前缘结构热防护系统设计提供了新的思路.作为一种潜在的冷却技术,文章主要介绍了电子发汗冷却的工作原理、技术特点,综述了国内外相关研究进展,并对未来发展需解决的关键问题进行了讨论.     

高超声速溢流冷却实验研究

高超声速溢流冷却是一种新型的飞行器热防护方法,基本思想为:在高热流区布置溢流孔,控制冷却液以溢流方式流出,之后通过飞行器表面摩阻作用展布为液膜,形成热缓冲层以降低飞行器表面热流.目前,溢流冷却技术还处于探索阶段,实现工程应用前还需开展大量的实验验证和机理研究工作.本文首次开展溢流冷却的实验研究工作,采用热流测量、液膜厚度测量及液膜流动特性观测技术,搭建了完善的溢流冷却风洞实验平台,对溢流冷却热防护性能和高超声速条件下液膜流动规律进行了初步研究.研究表明:(1)高超声速流场中通过溢流能够在飞行器表面形成液膜并有效隔离外部高温气流,可降低飞行器表面热流率;(2)楔面上的液膜前缘流动是一个逐渐减速的过程,增加冷却液流量液膜厚度变化不明显,但液膜前缘运动速度增大;(3)液膜层存在表面波,在时间和空间方向发生演化,导致液膜厚度的微弱扰动;(4)液膜层存在横向展宽现象,即液膜层宽度大于溢流缝宽度.原因是液膜层与流场边界层条件不匹配,存在压力梯度,迫使冷却液向低压区流动,从而展宽液膜层,并且流量越高,横向展宽现象越明显.     

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行了分析.选取计算模型为圆球,Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为参考长度). 通过数值模拟,首先得到的流动是稳定解,在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区,流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算,发现底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后,该现象继续发展,出现明显的结构失稳,得到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过程,对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于底部流动稳定性问题的研究,同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.      

高超声速飞行器关键部位气动热计算

运用快速算法对高超声速飞行器外表面的一些关键部位经受的气动热环境进行计算分析。在理论和经验公式的基础上,利用轴对称比拟法考虑攻角影响,采用局部相似性解及参考焓等方法确定飞行器有攻角再入的表面气动加热,发展了一套高超声速飞行器关键部位气动热的计算方法。以钝锥为算例对计算方法进行了验证,结果表明,本文所述方法具有较高的效率和精度。     

高超声速飞行器气动防热新概念研究

传统乘波构型的高超声速飞行器尖锐的前缘存在严重的气动加热问题,而简单的前缘钝化气动防热方法由于造成很大的升阻比损失,难以发挥实质性作用. 引入``人工钝前缘(ABLE)'概念,拟以一种新的思路解决这一矛盾. 通过定义ABLE构型的外形参数,并采用CFD数值计算方法研究了各参数对气动力和气动热特性的影响规律,在流场分析的基础上进行了外形优化,最终得到令人满意的新型高超声速飞行器头部外形,总结了运用ABLE概念进行气动防热的相关设计原则和规律.      

高超声速钝前缘乘波构型优化设计研究

乘波体的高升阻比优势使其在高超声速飞行器设计中极具应用前景. 在实际工程应用中, 为了满足防热要求, 乘波体前缘必须进行钝化处理, 前缘钝化对乘波体气动性能会产生显著影响. 因此, 原始尖前缘最优乘波体并不能保证钝化后仍为最优. 针对这一问题, 首先研究了前缘钝化对不同构型升阻特性的影响程度和作用机理. 结果表明: 前缘钝化会造成乘波体升力小幅度降低, 阻力大幅增加, 升阻比显著降低; 其中钝前缘本身的波阻在阻力增量中起主导作用, 而钝前缘本身的摩阻增加量与物面的摩阻降低量十分接近. 基于上述结果, 提出了一种高效评估钝前缘乘波体气动力的方法, 并结合遗传算法, 开展了直接考虑前缘钝化影响的乘波构型优化设计研究, 获得了钝前缘最优构型. 通过CFD数值模拟对最优构型的气动力特性进行评估, 结果表明: 在不同飞行高度、不同升力和不同钝化半径约束下, 相比尖前缘最优构型, 钝前缘最优构型宽度变窄, 相同纵向位置处的后掠角增大, 且升阻比显著提升. 在M_∞ = 15, H = 50 km, CL = 0.3约束条件下, 钝化半径R = 10 mm的钝前缘最优构型设计点升阻比相比尖前缘最优构型提升量可达9.32%.      

高超声速火星进入环境中颗粒运动特性研究

火星大气中会发生不同规模的沙尘暴,大气中蕴含的尘埃颗粒会对高速进入的火星探测器表面造成侵蚀并导致壁面热流增加,给探测器的热防护系统设计带来巨大挑战.文章针对高超声速火星进入环境两相流动问题,基于Euler-Lagrange框架建立非平衡流场与颗粒的单向耦合计算方法,采用模态半径为0.35μm的火星大气颗粒分布模型,研究不同尺寸颗粒在流场中的运动轨迹,获得高温相变模型对颗粒运动的影响以及不同粒径颗粒的撞击能量分布.结果表明,颗粒在高温流场中运动会吸热融化甚至蒸发,高温相变模型导致的颗粒直径减小对小尺寸颗粒运动轨迹有较大影响;当前计算状态下,直径3μm以上的颗粒具有较大的Stokes数且颗粒半径在运动过程中基本保持不变,其运动轨迹受流场影响较小,该尺寸颗粒的撞击分数均达95%以上,是造成壁面撞击的主要颗粒尺寸;撞击能量分数结果表明,直径3～10μm之间的颗粒是撞击能量的主要来源,约占总撞击能量的80%.     

近似黎曼解对高超声速气动热计算的影响研究

高超声速流场计算一般采用TVD型格式,这些格式中,大多采用了不同形式的近似黎曼解. 通过分析和数值验证,论述了激波捕捉格式中近似黎曼解的耗散性质,说明其对高超声速热流计算的影响. 数值实验证明,采用低耗散格式可大大提高热流计算精度,降低热流计算对网格的依赖程度,从而获得精确的热流数值解.      

高超声速层流尾迹的数值模拟

本文利用无波动、无自由参数、耗散的差分格式(NND格式),通过求解NS方程,数值模拟了高超声速层流尾迹的流动,清晰地给出了主激波、拐角膨胀波、迹激波及自由剪切层,所得流场物理量的分布与实验结果甚为一致。计算发现了底部迴流区由起始向定常的发展中,在瞬时流线图上经历了极限环形成、胀大、缩小、再胀大最后消失的演变过程。     

近空间高超声速飞行器防热隔热与热力耦合研究进展

概述近空间的战略价值与世界主要国家在近空间高超声速飞行器研制方面的竞争, 高超声速飞行器热防护系统及其基础科学问题, 包括防热隔热技术原理与热力耦合问题的研究进展.     

高超声速飞行器两类典型防热材料的性能表征与评价

针对高超声速飞行器翼前缘用超高温陶瓷材料及机身大面积金属热防护结构材料在高温环境下的力学响应分析与评价方法进行了全面的回顾和总结.综述了大面积金属热防护系统在传热、静力学、热力耦合性能、疲劳性能及抗冲击性能等方面国内外的研究进展;以及超高温陶瓷材料在热冲击、增韧机制、抗氧化性能等方面评价与表征技术,并结合国内研究状况展望了今后的发展方向.      

STUDY ON AEROTHERMOELASTICITY OF A HYPERSONIC ALL-MOVABLE CONTROL SURFACE

根据分层求解原理对考虑舵轴及舵轴与机身间隙影响下的高超声速飞行器全动舵面进行了热气动弹性分析. 采用计算流体力学（CFD）方法求解N-S 方程计算舵面周围的热环境,在该温度分布下根据结构壁面温度计算热流,应用傅里叶（Fourier）定律确定结构热传导过程及其内部温度分布,进而分析结构考虑热应力和温度对材料属性的影响下的模态固有特性,结合基于CFD 技术的当地流活塞理论,在状态空间中对舵面进行了热气动弹性分析. 结果表明,气动加热效应改变了结构的固有频率以及弯扭耦合频率之间的间距,进而改变了结构的颤振速度和颤振频率;随着热传导的进行,结构固有频率和颤振频率先快速减小后基本保持不变,弯扭耦合频率之间的间距和颤振速度则先快速减小后略有上升;舵轴及舵轴与机身间隙的存在对舵面的固有频率、颤振频率、颤振速度都产生了影响,使其最大下降了6%.     

基于立体打印自然通风冷却塔模型稳定性试验研究

为研究自然通风冷却塔在风载荷下的屈曲模式及临界风速,用立体打印技术打印了三个不同壁厚的缩尺模型,在风洞中完成了稳定性试验,并将实验结果与有限元计算结果进行对比分析.研究表明,模型失稳发生在弹性阶段,其壁厚与喉部半径之比是确定临界载荷的一个关键参数.实验得到的临界风压值同现有规范的设计相接近,约为有限元计算的1/4,说明我国现有规范中基于冷却塔整体稳定性得到的最小壁厚是偏保守的.     

高超音速飞行器及其关键技术简论

简要评述了高超音速飞行器及其关键技术, 包括: 高超音速飞行的定义、高超音速流动的特征、高超飞行覆盖范围、高超飞行器蒙皮温度、以及高超飞行设计特点; 高超飞行器的背景;高超飞行器研制的发展简史, 及经验与思考; 吸气式高超飞行器典型设计过程、发展战略、技术规划、和关键技术领域.      

钝体高超声速三维分离流场特性数值研究

以双子星座简化外形为模型，通过有限差分法求解全Ｎ－Ｓ方程，数值研究了高超声速绕流中的三维分离流动特性。来流Ｍ＿∞＝７．０，Ｒｅ＿∞＝４．５×１０￣５，攻角范围为１０°－４０°。首先通过与实验油流照片的比较，证明了本文计算分离结构定性上的正确性。然后研究了不同攻角下背风面三维分离结构的变化，给出了柱段背风区常点型开式分离随攻角变化转变为整体闭式分离的过程，并从物理上分析了这种转变过程的合理性，认为不同分离形态在分离线起始点附近都有共同的压力条件，即垂直于分离线的逆压梯度，因此横向分离可以从常点型开式分离直接转化为闭式分离。     

前体涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响实验

激波振荡是高超声速进气道不起动过程中常见的流动现象,会显著降低进气道气流捕获与压缩效率、产生剧烈的非定常气动力载荷而危害飞行器安全. 从激波振荡的控制出发,实验研究了前体转捩带位置的涡发生器对轴对称高超声速进气道激波振荡流动的影响. 分别在起动和激波振荡两种进气道流态下,选择无、0.5 mm与1 mm高度涡发生器工况进行对比研究. 并采用高速纹影与壁面动态测压同步记录非定常流动特征. 结果表明,1 mm高度内的涡发生器对起动状态的进气道主流流场结构、壁面压强分布影响不显著. 但对于激波振荡流动,涡发生器会明显缩小外压缩面分离区运动范围,缩短振荡周期,提升振荡周期内壁面压强的时均值. 涡发生器的影响程度随其高度的增大而增强,其中振荡周期从无涡发生器的4 ms缩短到1 mm高度涡发生器的3.13 ms. 此外,0.5 mm高度涡发生器会使得进气道内部测点的压强振荡幅值整体下降,相比无涡发生器工况的下降幅度可达23%. 流场结构与壁面压强信号的分析表明,涡流发生器主要通过其产生的流向涡影响激波振荡流动,包含流向涡对下游边界层的扰动以及流向涡与分离区的相互干扰.      

乘波构形和乘波飞行器研究综述

乘波构形的特点是高升阻比,下表面上的流动是均匀的,因此是推进系统/机身一体化设计的理想候选构形.乘波飞行器是源于乘波构形的高超音速飞行器,利用了乘波构形的高升阻比,并可为吸气发动机提供已知的均匀流场.本文比较全面地总结了乘波构形的生成方法和乘波飞行器的设计方法,介绍了乘波构形的优化方法及影响因素,给出了优化的乘波构形, 并介绍了乘波飞行器的研究进展,提出了今后的研究重点.      

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30$\sim$70km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.