高温真实气体效应中催化效应对气动热影响的实验探索

主要介绍了在氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中进行真实气体效应中催化效应对气动热影响的实验研究。首先从测试工作的角度,论述了测热模型、测热传感器及风洞改进等关键技术问题及其解决方法。其次描述了在氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中,首次开展气动热风洞试验的过程及其初步结果。结果表明:热流数据随测点位置和迎角的改变呈有规律的变化;在同样条件下,完全催化表面比完全非催化表面热流数值有明显增加的趋向。     

乘波布局高焓激波风洞测热试验研究

以钝化锥导乘波体为研究对象,开展了高焓激波风洞测热试验以及高温化学非平衡气动加热数值验证,对乘波布局滑翔飞行器前缘线和下壁面热流分布特征进行了研究。结果表明:乘波布局飞行器表面热流主要集中于头部驻点及其附近的前缘小范围区域内;在0°~6°的迎角范围内,迎角的改变基本不会对前缘线热流产生太大影响,但会导致下壁面热流明显增加;而侧滑角即使在0°~4°的范围内变化,也将导致前缘线迎风一侧热流明显增加。     

催化效应对气动热环境影响的流动-传热耦合数值分析

鉴于高超声速飞行中高温气体效应带来的壁面催化反应可显著增加气动热载荷,在气动热环境与结构热响应的分析与预报中需充分考虑催化反应带来的影响。将简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型嵌入超高速流动-传热耦合分析模型中,建立超高速流动/催化反应/传热多场耦合分析模型。其中,通过高频等离子风洞的催化特性测试获得ZrB₂-SiC超高温陶瓷材料表面催化系数与温度的函数关系,对比分析耦合计算和非耦合计算、简化原子复合催化模型和有限速率催化反应模型对气动热环境的影响和适应性,结果表明材料表面催化特性对壁面总热流有重大影响。对于具有较高热导率材料的热响应,耦合传热分析能够有效避免非耦合计算带来的过度高估的结果,而有限速率催化反应模型可有效提高计算精度。在此基础之上,通过耦合传热分析,揭示了催化反应与壁面传热的内在关系,证明了在传热分析中考虑表面催化效应可提升结构热响应精度和防热系统精细化设计的能力。     

粘性相互作用对高焓激波风洞实验段自由流静压测量影响的分析

通过理论分析、实验测量和数值模拟,研究高超声速粘性相互作用对实验段自由流静压测量的影响.研究表明:由于粘性相互作用,高焓激波风洞实验段平板静压测量值远高于实际自由流静压.在热化学非平衡流情况下,经典的粘性相互作用参数和经验公式具有局限性.     

钝体标模高焓风洞试验和飞行试验相关性的数值分析

在高焓风洞喷管膨胀流动中,会出现组分和振动能量的非平衡冻结现象,给试验数据的分析、外推和使用带来困难。笔者选择有飞行试验数据的钝锥体ELECTRE作为高焓风洞试验的标模,用热化学非平衡Navier Stokes软件,计算了飞行条件和相应的考虑组分和振动能量的非平衡冻结效应试验条件的模型绕流流场,用双尺度参数ρL和Stanton数,分析试验条件下的热流数据外推飞行条件的问题。研究结果说明:在模型头部区域,保持总焓和双尺度参数ρL不变,热流数据从试验条件外推到飞行条件是可行的;在模型尾部区域,试验条件和飞行条件的Stanton数有较大差别,用双尺度参数ρL把热流数据从试验条件外推到飞行条件有较大误差。最后提出了用CFD设计高焓风洞试验条件的思路,并识别真实气体效应显著改变热流分布的高焓风洞试验能力区域。     

高焓风洞中带翼钝锥体尾流电子密度的测量与分析

报道了在爆轰驱动高焓激波风洞中开展带尾翼钝锥体电子密度测试的相关研究工作进展.试验气流为4km/s,密度为0.001kg/m3.诊断尾翼对尾流的影响时,为不影响流场并获得足够的空间分辨率采用针状静电探针;实验结果给出带尾翼模型对尾流电子密度影响的定量结果及受影响的空间区域.     

阶跃热流冲击加热半无限体动态热应力分析

考虑超快速加热引起传热过程的非傅立叶效应，建立了第二类边界条件下的半无限体的动态热流场，热应力场方程组。用拉普拉斯变换法对方程组进行求解。结果表明，快速加速在半无限体内产生一个热波和两种热应力波。热波通过之时引起当地温度突然升高。应力波的波前通过之时该处应力突然增加；并对热波和弹性膨胀波波速比率对半无限体动态应力的影响作了研究分析。     

差温加热的三维温度场有限元分析

介绍了差温无模锻造的概念和基本原理以及要在金属坯料土产生大的差温所采取的方案。运用ANSYS软件对圆柱体坯料局部加热和局部冷却过程进行了热分析。热分析中考虑了坯料的初始温度、外加热源和冷却源的热流密度以及坯料和空气的对流传热。用正交试验的方法确定了获得最佳温度场的主要相关参数的取值，为以后进行差温无模锻造过程的应力、应变场分析奠定基础。     

驻点壁面催化速率常数确定的研究

以平衡流动作为热环境估算的依据,提出了用数值求解非平衡Navier-Stokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应Durm-Kang空气化学模型和轴对称热化学非平衡Navier-Stokes方程,对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟,给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布,并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Pt、SiO2、Ni和某种飞船材料的催化速率常数,建立了数值分析高焓流动边界层催化特性的软件。     

旋转式战术导弹马格努斯效应的实验研究

本文介绍了旋转弹在低速风洞中 Magnus 效应的实验研究结果。通过不同组合体的实验,如光弹,“一”字型前翼+强身,弹身+“十”字型尾翼,“一”字型前翼+弹身+“十”字型尾翼,分别研究了旋转对弹纵向气动特性的影响及弹的 Magnus 效应特性。     

复杂外形跨大气层飞行器模型气动热试验研究

针对复杂外形跨大气层飞行器,在2m激波风洞中开展了气动热试验研究,试验条件为:M∞≈10,迎角α=0°,10°,20°,30°,40°.通过试验给出了飞行器模型表面沿迎风中心线、背风中心线、机身四个截面、机翼上下表面、翼前缘、尾翼表面的热流分布试验结果.同时,发展了有限体积法的三维可压缩N-S方程解算器,建立了气动热数值计算方法,并根据风洞试验条件进行了气动热数值计算,与试验结果进行了分析比较.综合试验和数值计算结果,对跨大气层飞行器的气动热特性进行了分析研究,给出了表面热流的分布特征和随迎角的变化规律.     

高焓电弧风洞试验热化学非平衡流场数值模拟

针对高焓电弧风洞内部流动的热化学非平衡效应及气体组分和振动能量冻结效应导致的试验数据外推困难问题,基于高焓风洞喷管/试验段/试验模型一体化数值模拟的思路,通过数值求解三维热化学非平衡Navier-Stokes方程,开展了FD-15高焓电弧风洞典型运行状态下流场的数值模拟,与典型试验状态的气动热数据进行了对比验证,研究了试验数据外推飞行条件的方法及有效性问题,分析了提高驻室总压对试验数据外推的影响。研究表明:（1）风洞试验段来流离解度高,热化学非平衡效应及其冻结现象严重;（2）热流校核试验测量数据位于一体化数值模拟的完全催化热流和非催化热流之间,分布合理,验证了计算方法和程序的正确性;（3）试验模型安放位置对模型表面压力和热流存在影响,模型与喷管出口的距离越大,模型表面压力和热流越低;（4）当驻室总压较低时,通过双尺度模拟准则（模拟飞行条件总焓和双尺度参数ρ_∞L）外推热流失效,使用部分模拟准则（模拟飞行条件总焓和驻点压力）外推热流也会出现较大差异,在非催化条件下这一现象更加明显;（5）当驻室总压较高时,使用双尺度模拟准则或部分模拟准则外推飞行条件,产生的热流差异明显减小。     

飞行器气动加热环境与结构响应耦合的热结构试验方法

阐述了将结构热试验和气动加热计算相结合,实现气动热分析与热试验相耦合的试验控制方法。为飞行器的气动加热和结构热响应耦合分析提供了一个解决思路,同时为结构热试验热载荷条件的制定提出了新的方法,对应用复杂防热结构的飞行器的气动热分析和结构热试验具有重要的意义。     

纳米压痕试验中圆柱形压头尺寸效应

针对薄膜材料在纳米压痕试验时出现的压痕尺寸效应,运用准连续介质法模拟单晶铝膜纳米压痕试验初始塑性变形过程。分析了不同直径的刚性圆柱形压头分别压入同一深度时弹性和塑性变形特点,并获得了相应的载荷—压深曲线。基于Oliver-Pharr法,预测了纳米硬度值和弹性模量。研究数据表明:纳米硬度值随着压头直径的增加而减小,呈现出明显的压头尺寸效应;当压头直径达到或超过80时纳米硬度值趋于稳定值,即压头尺寸效应消失。同时表明弹性模量不存在尺寸效应。表明材料的弹性模量本质上仅依赖原子间的结合能,而和压头尺寸基本无关。     

地效试验数据的估算研究

基于低速风洞试验的不可压缩势流理论,针对飞机地效试验,提出由无地板下的试验数据通过计算得到任意地板高度下相应数据的方法。将利用此方法得到的计算结果与带地板试验数据对比,论证了该方法的有效性。进一步研究表明,采用已有的带地板试验数据对计算结果进行差量修正,可有效减小该方法的计算误差。     

关于GB/T 21563-2008冲击试验的剪裁

确定动力学环境模拟的试验量级是一件复杂的工作,在引用指导性的标准文件时应该结合自身数据进行剪裁。基于Miner损伤准则,计算GB/T 21563-2008中模拟长寿命试验与冲击试验对产品造成的潜在疲劳损伤,通过对比分析得出模拟长寿命试验对产品造成的潜在疲劳损伤大于冲击试验对产品造成的潜在疲劳损伤。若产品经受住规定频率范围内的某一方向上的模拟长寿命试验,可以对相应方向的冲击试验进行剪裁。     

激波风洞气动力试验不确定度影响因素分析

参考北大西洋公约组织和AIAA推荐的风洞试验数据不确定度计算方法,结合激波风洞运行特点,确定激波风洞气动力试验的主要误差源,计算激波风洞B-2标模气动力测量结果的不确定度.采用改变单一变量的方法计算主要误差源对测量结果不确定度的影响程度,辨析对不确定度起主要作用的基本参数.计算结果表明:皮托压力和总压的测量结果对流场参数影响显著,皮托压力的测量结果比总压测量结果对流场参数与气动力测量结果影响更大;降低皮托压力和总压的偏离极限,有利于提高激波风洞气动力试验数据的质量.     

管道效应对进气道试验湍流度测量的影响研究

进气道风洞试验中,湍流度由动态压力计算得到,动态压力的测量是否精确与动态压力传感器前方导压通道的管道效应相关。基于管道内流体动力学耗散模型,研究了导压通道对动态压力和湍流度的影响,并通过进气道风洞试验进行了验证。研究结果表明:进气道风洞试验中导压通道的管道效应对湍流度的影响较明显,管道效应会放大动态压力的脉动幅值,导致测量湍流度大于真实湍流度。为了减小管道效应对湍流度的影响,进气道试验中应避免使用导压的方式进行动态压力的测量。如果不可避免地存在导压通道时,在导压通道长度大于5 mm时,须考虑管道效应对湍流度测量的影响,并进行相应的修正。     

高超声速风洞舵面测力双天平技术及应用

介绍了舵面的双天平测力技术,以及它在0.5m高超声速风洞铰链力矩试验中的应用.天平为轮毂结构形式,竖置在一种十字型尾翼布局的体尾组合体的后端.在一次吹风中可同时测量左右两片水平全动舵的气动特性,给出Ma=6舵面法向力、铰链力矩、弦向压力中心等系数随迎角的变化特性,定量描述大迎角大舵偏角条件下,舵面气动特性的非线性效应,以及由此引起控制力增量的变化趋势.