航天器舱体热密封结构多物理场耦合数值分析方法研究

综合考虑航天器舱体外围高超声速流动、密封带及舱体结构传热以及密封结构内部的空腔流动传热,提出航天器高温热密封结构的瞬态多物理场耦合分析方法。利用改进型Van Driest变换方法进行高超声速流动环境预测,基于高斯－赛德尔分块迭代耦合方法完成一体化耦合计算方法。采用包含不同材料结构部件的复合结构,计算了0～200 s内有无密封塞两种情况下的各部分结构的瞬态热传导过程。结果表明,密封塞的使用可显著降低空腔内的最高温度,瞬态变化情况的考虑更加准确地反映了各部分结构部件及内部空腔的温度变化情况。该文的计算方法可广泛应用于航天器热密封结构的传热特性分析,可为火箭等航天器上的高温密封部件设计提供有效的数值分析工具。     

超燃冲压发动机燃烧室内对流与辐射加热基于OpenFOAM的数值模拟

为了考察对流和辐射传热对燃烧和流场以及壁面热流密度的影响,基于OpenFOAM平台,采用基于k-ω湍流模型的剪切应力输运(SST)模型,结合二维P1模型、随机欧拉解(SEF)法及k-distribution谱带模型计算燃烧室内燃烧、流动、燃气辐射和壁面对流及辐射热流密度。计算分为燃烧/流动与辐射解耦和耦合两种情况,前者的壁面辐射热流与文献解耦计算结果吻合较好,在此基础上考察耦合时热辐射对燃烧和流场参数及壁面热流的影响。结果表明:解耦条件下壁面最大辐射热流密度达55 W/cm~2,辐射与对流热流密度之比达40%以上,但位置与最大辐射热流位置不一定相同,燃气最高温度与不考虑辐射时相比降低120K左右;在耦合计算中,燃气最高温降低近200K,燃气高温区面积增大而平均温度降幅较小。     

液氧/甲烷发动机推力室肋强化换热技术数值研究

为了提高液氧/甲烷发动机再生冷却通道中冷却剂的吸热效率,同时提高该区域的热防护能力,对带有4种不同肋结构的推力室进行了三维稳态耦合传热计算.分析结果表明,在推力室燃气侧壁面设置纵向肋之后,通过引入等效平均热流密度能够描述带肋发动机推力室壁面的实际换热特征.设置人工粗糙度能够使壁面温度降低85.4 K,但会使压降增大0....     

考虑温度大范围变化的瞬态热固耦合方法研究

针对传统瞬态热固耦合方法不能准确反映温度大范围变化时传热与结构变形之间的耦合效应,基于Galerkin与Newmark算法,建立了充分考虑温度大范围变化对耦合项影响的瞬态热固耦合有限元计算方法。通过求解铝质薄板在强热流作用下的热响应问题,校验了该方法的正确性,并利用该方法对某型高超声速飞行器进气道热防护面板进行了瞬态热固耦合分析。利用理论公式证明并通过分析算例得出结论：温度剧烈变化对热固耦合问题的计算结果影响十分显著;考虑温度剧烈变化的耦合项对结构的温度场影响较小,但会使温度变化率呈现震荡状态,耦合项对结构的位移、变形速度及变形加速度有显著影响,对结构的振动起到阻尼作用。     

高超声速飞行器前缘缝隙流动数值模拟研究

通过分析高超声速飞行器前缘防热瓦结构,建立了一种开缝前缘的简化模型。针对这一模型的流场通过求解三维可压缩Navier Stokes方程进行了数值模拟。研究了缝隙诱导形成的三维旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。模型圆弧段缝隙肩部倒圆区因存在较强的三维效应形成“常规”高热流区,而缝隙内主旋涡再附致使侧壁上存在一个“非常规”高热流区;模型平直段展向流动诱导缝隙上方出现较强的旋涡运动,同时流动在缝隙倒圆区形成分离涡并于缝隙侧壁面再附,受这些旋涡运动的影响,缝隙肩部倒圆区转变为局部热流低值区,缝隙侧壁上存在局部热流高值区。     

复合喷管结构温度场流固耦合仿真分析

为了评估复合喷管热防护性能以及获取喷管烧蚀和结构应力分析的工况条件,运用Fluent流体动力学软件,对复合喷管的结构温度场进行了数值仿真。分析中,采用了两方程RNG k?ω湍流模型和增强型壁面函数,利用流固耦合的计算方法,获得了喷管结构瞬态温度场的计算结果,重点分析了结构温度场最终分布状态和初期传播特点,以及喉衬温度随时间的变化规律,估算了喉衬的烧蚀。分析结果表明,喷管结构热防护性能满足要求,温度最高区域位于喷管收敛段中后部,喉衬线烧蚀量约为2．1 mm,为喷管结构进一步优化设计提供了重要参考依据。     

点阵结构空气舵及内部流体热流固耦合研究

开展了钛合金TC4材料激光粉末床熔融(LPBF)工艺研究,在此基础上设计了多孔轻质空气舵模型,并基于有限差分法(FDM),采用三维流固耦合共轭传热数值计算方法,利用流体体积法(VOF)追踪流体自由液面,研究了典型的点阵夹层结构的空气舵内部冷却液动态换热过程的相互影响过程,考虑了冷却液与钛合金材料蒙皮间的耦合传热及湍流换热。结果表明,空气舵的内部流体压强随速度的增加而增加,从而导致流体出口的速度增加。当压强增加到一定程度时,流体的出口以水柱形式喷出。虽然较大的流体速度可以带走较多的热量,但是影响远小于对压强的影响。综合考虑空气舵的服役要求,获得了合适的冷却水入口速度。     

某缩尺推力室燃烧和传热特性研究

为了研究冷却剂的流动方向和推进剂的质量流量对推力室燃烧和传热过程带来的影响,以某型氢氧火箭发动机的推力室缩比试验件为研究对象,对推力室的燃烧和传热过程进行了数值仿真。改变冷却剂的流动方向,最高壁面温度相差1.04%,最高壁面热流密度相差0.544%,冷却剂温升相差0.233%,出口压力相差3.803%,分析发现,改变冷却剂的流动方向,对推力室内部的燃烧过程和壁面传热效率影响很小,冷却剂的流动方向会影响壁面温度分布。推进剂质量流量提升22.29%,室压提升22.17%,燃烧效率降低0.55%,最高壁温提升9.16%,最高热流密度提升17.48%,冷却剂温升提高13.05%,分析发现,提升推进剂质量流量会导致推力室壁面温度和冷却剂温升的提高,由于缩比发动机反应空间小燃烧不够充分,提升推进剂质量流量会使燃烧效率有所下降。     

碳/碳材料细观尺度的氧扩散特性与烧蚀分析

将DSMC方法运用在材料细观烧蚀机理分析中,对碳/碳材料在典型烧蚀过程中的简化模型进行了微米量级下的氧扩散特性分析,旨在研究氧分子在材料表面缝隙中的扩散特性及其与壁面的作用规律,计算分析结果验证了纤维烧蚀结构演变特性。结果表明：沿缝隙深度方向,O2与壁面的碰撞频率不断降低;在缝隙入口处烧蚀最快,缝隙深处最慢,碳纤维随着烧蚀过程的进行不断尖化直至达到强度极限产生折断剥离;随着烧蚀过程的不断进行,O2与壁面的碰撞频率增加,材料将烧蚀得更快;在同一烧蚀条件下,O2与壁面发生烧蚀反应的概率越大,将消耗O2越快,致使O2与壁面的碰撞频率降低。     

石墨渗铜材料的烧蚀模型探索

根据石墨渗铜材料的特点,探索了它的烧蚀和传热模型。认为烧蚀计算可以不考虑铜与燃气的化学反应;导热计算按铜的液相、熔化、固相三层进行.在碳基材料热化学烧蚀模型和移动边界下当量热容瞬态导热方程隐式求解的基础上,对于石墨渗铜喉衬的复合结构全喷管进行了考虑粒子侵蚀下烧蚀与传热耦合的计算.     

推力室多孔面板氢发汗冷却传热分析

为了研究氢氧火箭发动机推力室喷注器多孔面板的发汗冷却特性,采用一维非热平衡能量方程模型对其进行了数值传热计算,计算模型考虑了冷却剂氢的变物性和多孔结构内固体与流体之间的对流换特征。分析总结了多孔结构固体导热率、孔隙率、颗粒特征直径和燃烧室热流密度等因素对多孔面板发汗冷却的影响。研究结果表明,选择较高导热率的多孔面板制造材料能够降低燃气侧面板温度和减小面板温度梯度;孔隙率一般在0.1～0.2为宜;随着颗粒特征直径增大冷却剂与多孔结构固体之间的换热能力明显下降,燃气侧面板温度呈先降低后升高的趋势。     

层板发汗冷却推力室传热分析

对于采用层板发汗冷却的推力室,为了最大限度地减少冷却剂流量,理想情况是,应根据不同轴向位置的受热情况来分配冷却剂流量,以使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度内.本文运用有限体积法,对层板发汗冷却推力室内的燃气流动和壁面内的传热进行了数值模拟,同时通过调节冷却剂吹风比,使各处的壁面温度都控制在材料的许用温度之内.为综合...     

高超声速旋转体气动加热、辐射换热与结构热传导的耦合数值分析

采用流场-热-结构耦合的计算方法,耦合气动加热、辐射换热和结构热传导,互为边界条件进行同步计算,研究了旋转体高超声速的流场和固壁温度分布,并数值模拟了旋转体的外流场和固壁结构温度场的非定常过程。计算结果表明：该数值方法可行,能较好地模拟整个流场和温度场的物理变化过程。     

流速及进出液口形式对板式热沉换热性能影响

热沉的换热性能直接影响空间冷环境的模拟效果。文章通过建立不锈钢板式热沉的几何结构模型,利用流体力学理论和有限元方法对板式热沉换热性能进行数值模拟。湍流计算采用RNG模型的k-ε方程,压力–速度耦合计算采用Simple算法,得到热沉壁面温度分布及换热特性参数,同时分析流速及进出口形式对热沉壁面温度均匀性及换热性能的影响。结果表明:较小的流速会导致热沉壁面温度均匀性变差,而流速的增加可以提高热沉的换热效率,但又会增加流体的压力损失。为保证热沉壁面温度分布均匀,需在综合考虑传热和阻力问题的基础上来确定最优的入口流速。当热沉有效尺寸较小时,则进出口布置形式不会影响板式热沉壁面温度的均匀性。     

Heat transfer of thermocapillary convection in a two-layered fluid system under the influence of magnetic field

Heat transfer of a two-layer fluid system has been of great importance in a variety of industrial applications. For example, the phenomena of immiscible fluids can be found in materials processing and heat exchangers. Typically in solidification from a melt, the convective motion is the dominant factor that affects the uniformity of material properties. In the layered flow, thermocapillary forces can come into an important play, which was first emphasized by a previous investigator in 1958. Under extraterrestrial environments without gravity, thermocapillary effects can be a more dominant factor, which alters material properties in processing. Control and optimization of heat transfer in an immiscible fluid system need complete understanding of the flow phenomena that can be induced by surface tension at a fluid interface. The present work is focused on understanding of the magnetic field effects on thermocapillary convection, in order to optimize material processing. That is, it involves the study of the complicated phenomena to alter the flow motion in crystal growth. In this effort, the Marangoni convection in a cavity with differentially heated sidewalls is investigated with and without the influence of a magnetic field. As a first step, numerical analyzes are performed, by thoroughly investigating influences of all pertinent physical parameters. Experiments are then conducted, with preliminary results, for comparison with the numerical analyzes.     

载人航天器密封舱流动和传热数值模型及其地面验证

为求解载人航天器密封舱内复杂的空气对流、导热和辐射三者耦合的传热问题,本文建立了载人航天器密封舱的流动与传热数值模型,对地面试验状态下密封舱内的空气流动与传热进行了仿真分析,并利用试验结果对数值模型进行了验证.结果表明,建立的数值模型可靠且具有较高精度,仿真结果与地面试验数据吻合性较好,可进一步用于热控系统性能评估、在轨支持和故障处理.     

多热源工况下燕尾形轴向槽道热管的热响应特性

建立了燕尾形轴向槽道热管应用于多热源时的瞬态传热及流动的理论模型并进行了数值求解,研究了该型热管应用于多热源时从启动开始直到达到稳态过程中,壁面温度、弯月面毛细半径、液体速度的实时变化。结果显示：毛细半径沿轴向单调递增;蒸发段有热源与无热源的连接处的温度阶跃变化;在蒸发段热源处,液态工质流速变化激烈,在蒸发段无热源处,液态工作速度变化比较平缓;同时,开展了热管瞬态特性测试实验,实验测量值与数值计算值符合较好。     

翼柱形药柱发动机点火瞬态三维数值模拟

采用流体计算软件(Fluent),通过用户自定义函数(UDF),考虑了燃烧室瞬时压强变化的影响,对某固体火箭发动机点火瞬态内流场进行了三维模拟,得出了点火瞬态头部压强一时间变化曲线.结果表明,堵盖打开前燃烧室压强振荡1次,堵盖打开后燃烧室压强振荡3次;随着点火燃气不断加入,燃烧室压强从头至尾呈现先弱后强的变化趋势.该方法能较好地预示点火瞬态的启动特性.