激光辐照高超声速舵面热力响应研究

建立了基于流固耦合的高超声速飞行器舵面结构在激光辐照下静气动弹性模型,流体控制方程为三维雷诺平均N-S方程,分别采用了中心格式和AUSM+up格式对粘性项和对流项进行空间离散,时间推进采用了高斯-塞德尔隐式推进方法,湍流粘性系数求解使用Menter SST模型。利用冯卡门研究所高超风洞实验结果对模型进行了校核,预估了激光辐照对高超舵面的热力影响。结果表明,气动力/热计算模型与实验数据符合较好,能够准确模拟高超飞行器的热力参数,根据模型外推结果,激光在较低功率下加热高超飞行器舵面可能导致舵面材料弹性模量大大降低,继而发生弯曲发散而折断,高超飞行器可能因此发生气动失稳而坠毁。     

基于响应面模型的高超声速低温喷管优化

 建立了高超声速低温(HYLTE)喷管的响应面模型,样本点设计矩阵采用正交试验设计法构造,样本数据通过3维粘性NS方程计算喷管光腔耦合段的多组分混合流场获得。基于HYLTE喷管响应面模型,对喷管进行了多目标优化,定义了综合性能参数,优化后喷管混合性能显著改善,综合性能明显提高。计算表明,基于响应面模型的优化策略,能够满足喷管优化对计算精度和计算量的要求。运用多学科设计优化软件框架iSIGHT作为建模和优化的辅助工具,提高了优化设计的实现效率。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15 kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100 kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明：占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500 ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200 kHz和100 kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500 kHz和25 kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

高超声速飞行器前缘流固耦合计算方法研究

对高超声速流场和结构温度场进行了耦合计算分析, 同时基于准静态假设对结构应力进行了分析. 流场部分采用基于非定常Navier-Stokes (N-S)方程的有限体积法, 湍流模型采用SST k-ω 模型, 固体部分采用基于非稳态热传导方程的有限元法, 同时基于准静态假设对固体结构的应力应变进行了分析. 在流固交界面处, 高速流体从固体结构得到温度边界条件, 固体结构从高速流体得到热流边界条件, 从而实现了流场和固体温度场的紧耦合计算.通过与超声速无限长圆管绕流试验结果进行对比, 验证了该方法的可靠性. 同时对二维圆管结构在气动加热过程中的温度、应力等的变化进行了比较详细的分析. 研究结果表明: 随着气动加热时间的推进, 由于圆管结构的高温区在不断扩大, 导致了结构的热变形在不断地增大; 圆管最小变形区出现在θ为60°处; 同时研究发现在计算时间内圆管热变形对外部流场的影响可以忽略不计.     

不同来流马赫数下激光能量形成高超声速进气道虚拟唇口的特性

用基于三维非定常可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的有限体积法计算了马赫数低于设计值6时一种高超声速进气道的性能参数,发现其性能存在明显下降。为提升进气道性能,将功率为15kW的激光能量注入进气道固体唇口前的流场中,形成虚拟唇口,马赫数为4.5,5.0和5.5时,计算得到来流捕获率分别提高了34%,20.6%和15.6%。绘制了不同马赫数下来流捕获率达到峰值时的流场压强云图,说明了虚拟唇口的特性及形成机制。结果表明:来流马赫数越低,来流捕获率越小,但相对于无能量注入时的来流捕获率的提升程度越明显;在不同来流马赫数条件下,通过改变激光能量引致的激波结构和位置,可达到最优状态,即激波与进气道前缘斜激波相交后的透射波打在进气道肩部位置的状态。     

激光辐照热力耦合问题的相似性

由量纲理论出发,分析了激光辐照热力耦合理论的无量纲化基本方程组。在一定的近似条件下,导出了激光辐照热力耦合问题的一般相似性准则,该相似准则不受与温度相关的材料特性的约束。在此基础上给出了强激光辐照充压圆柱壳体热力效应的缩比方法,并对一组实例进行了计算,得到了缩比模型与原型结果几乎完全相似的结论。理论分析与数值计算表明,激光辐照热力耦合问题在合理的近似下满足相似律。     

激光辐照热力耦合问题的相似性

 由量纲理论出发,分析了激光辐照热力耦合理论的无量纲化基本方程组。在一定的近似条件下,导出了激光辐照热力耦合问题的一般相似性准则,该相似准则不受与温度相关的材料特性的约束。在此基础上给出了强激光辐照充压圆柱壳体热力效应的缩比方法,并对一组实例进行了计算,得到了缩比模型与原型结果几乎完全相似的结论。理论分析与数值计算表明,激光辐照热力耦合问题在合理的近似下满足相似律。     

气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明：激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。     

气动加热对高超声速飞行器激光毁伤效应影响

通过采用工程计算方法求解高超声速飞行器碳-碳复合材料分别在气动热、激光单独作用以及气动热/激光耦合作用下的热化学烧蚀。计算分析表明:激光单独作用下,碳-碳复合材料的烧蚀速率较小;随激光能量的增加,碳-碳复合材料的烧蚀速率增加;气动加热条件下激光对高超声速飞行器碳-碳复合材料的烧蚀毁伤效应会明显增强;沿弹道的气动加热累积效应对碳-碳复合材料气动热/激光耦合烧蚀作用不明显。     

超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟

激光辐照结构物包含复杂的多物理场耦合问题,其存在流、热、固多种机制的耦合效应。结合计算流体力学（CFD）和有限元方法,对超声速条件下的激光辐照平板问题进行了热流固耦合分析。采用CFD方法得到平板附近流场分布,利用有限元方法计算平板的温度分布,并将二者结合起来实现流体和固体间的数据交互。理论分析确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角。对于不同马赫数,激光区域在6Ma条件下存在温度的谷值,小于等于6Ma条件下主要体现为冷却效应,而6Ma以上主要体现为气动加热效应。攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加,使冷却效应更加明显。最后综合分析了流场气动加热和冷却两种效应的产生机制。     

超声速流场条件下激光辐照耦合效应数值模拟

激光辐照结构物包含复杂的多物理场耦合问题,其存在流、热、固多种机制的耦合效应。结合计算流体力学(CFD)和有限元方法,对超声速条件下的激光辐照平板问题进行了热流固耦合分析。采用CFD方法得到平板附近流场分布,利用有限元方法计算平板的温度分布,并将二者结合起来实现流体和固体间的数据交互。理论分析确定了流场效应的最主要影响参数为来流马赫数与攻角。对于不同马赫数,激光区域在6 Ma条件下存在温度的谷值,小于等于6 Ma条件下主要体现为冷却效应,而6 Ma以上主要体现为气动加热效应。攻角增大会导致激光区流体质量流量的增加,使冷却效应更加明显。最后综合分析了流场气动加热和冷却两种效应的产生机制。     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。     

激光辐照下复合材料热响应的轴对称数值分析

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应,建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程,边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序,预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型,开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明,模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合,在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主,与试验烧蚀形貌观察结果一致。     

Preparation of enamel coating by laser irradiation

Enamel coatings is produced on steel substrates using CW CO_2 laser irradiation from the same raw material as used for industrial enamel coating. The formed coating fairly well join to the substrate and has a bumpy glossy surface. Its microstructure is uniform and glassy with a liitle of small pores. It contains less Na and K than the initial composition. Fe element has been transfered into the coating, the content is high in the interface zone and low in the main body. This distribution may be at a time establish the good chemical stability of coating and its strong adhension to substrate. The present investigation also makes comparison of the laser irradiated coating with the ordinarily enamelled one.     

方形激光斑聚焦器理论及实验

本文从理论上详细研究一种可将激光会聚为方形光斑的光学系统,并与另一种同类装置的理论计算及实验结论进行对照.