飞机电热除冰的研究进展与展望

 飞机在结冰气象条件下容易发生结冰现象,冰的存在会破坏飞机气动特性,影响飞行安全,严重结冰可导致机毁人亡,故必须及时将冰移除。电热除冰是目前最常考虑的除冰方式之一,本文系统介绍了电热除冰装置及其工作原理。首先,主要围绕除冰过程的传热特性、冰层力学特性和冰脊的形成,详细阐述了国内外电热除冰研究的发展。然后,针对国内外研究存在的一些问题,提出了几点对电热除冰研究的粗略想法,电热除冰数值计算方法和模拟技术研究、热力耦合特性对冰层融化和力学特性的影响研究、冰脱落准则和运动规律研究是未来研究需要重视的方向。     

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.     

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.     

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.     

高焓气流下表面跨尺度催化传热过程的CFD/RMD耦合计算方法探究

对防热材料微细观特征的认知不足给高温气体效应引发的表面多相催化等物理化学作用的有效预测带来极大挑战,进而影响飞行器非平衡气动加热的预测与评估.根据高焓气流下表面反应传热过程的跨尺度动力学机理,探究了描述表面效应的CFD/RMD耦合计算方法,并进行了典型算例测算.相关耦合计算方法解决了高焓气流下表面效应表征困难、关键参量...     

基于机器学习的界面多相催化效应动力学蒙特卡罗模化

高焓气动环境表面多相催化效应对高超声速飞行器气动热有显著影响,对该效应多尺度特征的表征建模是飞行器热防护系统轻量化、低冗余设计的重要前提.采用动力学蒙特卡罗方法,建立了可用于宏观流场计算的界面多相催化介观模型,并通过径向基函数神经网络算法,训练形成了基于机器学习的吸附演化动力学精确解析的界面多相催化代理模型,实现了催化复合系数的快速精准预测.研究表明,基于机器学习的界面催化代理模型获得的复合系数预测值与动力学蒙特卡罗方法相一致,同时计算时间大幅缩短至常规宏观方法耗时.通过与宏观非平衡流场求解器耦合,所建立的界面催化模型可快速获得多尺度界面多相催化效应下的表面气动加热热流.基于机器学习方法对微细尺度的计算结果进行模化并用于宏观计算,在解析界面多相反应演化动力学的同时,提升了计算效率,为工程适用的飞行器复杂高温效应跨尺度建模提供了理论依据.     

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。     

载人飞船光学窗口组件烧蚀热响应的数值计算

1引言载人飞船光学窗口的热结构设计十分重要，特别是其中密封圈在高温下是否安全不漏气，直接关系到航天局的生命安危。这就要求对光学窗口组件在再入热环境下的烧蚀及其热响应做精细的计算和试验。由于热结构问题尚无相似律，地面实验要用1：1模型。这种试验国内尚无办法进行，在国外试验费用高。用有限次数的地面试验，验证计算软件，然后用软件计算大量数据，将地面试验推广到飞行状态，是进行本课题研究的主要目的。光学窗口组件安装于返回舱倒锥面上，一般由三层耐热玻璃和高、低密度两种烧蚀材料及铝合金构架构成，见图1。本文就是研…