摘要：对石英灯热流分布模拟的理论解析方法和蒙特卡罗方法及其简化方法进行了对比研究。对不同情况下石英灯热流分布计算结果进行了对比分析。结果表明,对于无反射屏的石英灯,各种方法计算获得的热流分布基本吻合,且均与试验结果符合较好;对于有平板反射屏的石英灯,除石英灯正下方遮挡区域外,其余大面积区域热流分布基本吻合,与试验结果符合较好。分别将理论解析方法和蒙特卡罗方法应用到石英灯阵热流分布优化设计问题中,结果表明两种方法优化结果相近,具有较好的工程适用性。相关结果对石英灯阵的优化设计具有重要参考意义。

摘要：针对高超声速气动加热条件下飞行器编织复合材料结构的轻量化设计需求,考虑到防热材料的细观特性会影响宏观等效参数进而影响宏观性能和防热效能,对典型飞行器头锥防热结构进行了细观/宏观的力/热耦合多尺度建模,并开展了考虑材料细观特性的的结构轻量化设计。研究了碳布间距、穿刺半径、组分含量等材料细观工艺参数对宏观等效参数的影响规律,力/热综合效应下热防护系统温度场响应和结构响应特点,以及细观特性对结构宏观性能影响进而进行结构轻量化设计的途径。结果表明,基于材料细观特性的轻量化设计能够改善结构力/热分布状态,更充分地发挥材料和结构性能,提升防热系统安全性。

摘要：针对结构热试验模拟的精细化需求,对大面积气动加热的石英灯阵模拟优化设计进行了研究。发展了石英灯阵辐射热流模拟程序,分析了采用传统单灯热流分布数据库插值叠加获得的石英灯阵热流分布的适用范围,基于遗传算法,发展了以灯阵中各灯功率为优化参数的石英灯阵热流模拟优化设计方法,并基于所建方法对某飞行器结构部件迎风面气动加热进行了灯阵模拟,获得了灯阵加热和气动加热条件下迎风面温度变化特性。结果表明,基于本文方法对石英灯阵中各灯功率进行优化设计,采用简单石英灯阵即可有效地模拟大面积非均匀气动加热,从而有效提高试验模拟精度,但前缘等位置的高热流区模拟精度有待进一步提高。

摘要：针对结构热试验非均匀热环境模拟的精细化需求,以石英灯阵热流分布理论解析方法为基础,建立了基于线性分析模型的石英灯阵功率快速优化方法,对石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化问题进行了分析研究。结果表明:线性分析方法可以快速有效地优化石英灯阵功率,对于比较平缓的热流分布可以获得较好的优化结果,对于大梯度热流分布也能获得与遗传算法较为一致的热流优化结果和规律;模拟非均匀气动加热的功率优化结果对热流输入比较敏感,需要通过优化来选择合适的测点范围和测点数量得到相对稳定的系数矩阵。相关研究结果对模拟非均匀气动加热的石英灯阵功率优化设计具有重要参考意义。

摘要：为了掌握石英灯单灯及灯阵热流分布规律,提高石英灯阵热流分布预测能力,对石英灯阵热流分布进行了计算分析与试验研究,发展了基于蒙特卡罗方法的石英灯阵热流分布预测方法及计算程序;基于所建方法,分析了加载功率、高度等因素对石英灯及简单灯阵的热流分布的影响规律。结果表明,不同加载功率和高度条件下,本文程序计算结果与试验结果符合较好;高度一定时,石英灯及简单灯阵热流随着加载功率的增加基本上呈线性增加;加载功率一定时,随着灯阵高度的增加,辐射热流分布的均匀性呈增加趋势,中心区域均匀区面积呈先增大后减小的趋势。相关结果可为石英灯阵加热优化设计提供重要参考。

摘要：高超声速湍流中的激波/边界层干扰现象,因其会引起气动力/热等关键参数的剧烈变化,在相关飞行器的设计与优化中受到了广泛关注。在涉及真实飞行器的湍流模拟中,采用基于涡黏性假设的湍流模型与雷诺平均的RANS方法仍然是目前工业设计中最为常用的手段。为了获得更好的预测结果,很多研究都集中在对湍流模型的修正与改进上,但是对求解的RANS方程本身关注却不多,特别是湍动能(TKE)在平均方程中所起作用的相关研究就更少。本文以马赫数为7.05的柱裙干扰流动为例,采用k-ω SST湍流模型,针对RANS方程中常被忽略的湍动能项在高超声速激波/边界层干扰中的影响规律开展了研究,并对每一个湍动能项的作用机理进行了定性和定量分析。研究结果表明,湍动能项对激波/边界层干扰区(SWBLI)流动预测结果有很显著的影响,特别是流动分离区的范围。忽略其中部分湍动能项可以使分离区缩小至原来的40%左右,而忽略另外部分湍动能项反而会使得分离范围增大近30%。通过对平均动量方程和平均能量方程的分析发现,造成这种剧烈影响的主要原因是湍动能项被忽略后有效平均压力场的显著改变,进而改变了分离点附近的逆压梯度,从而造成了流动分离区范围的大幅度改变。

摘要：采用数值方法求解气动热环境,基于蒙特卡罗方法求解内部空腔辐射换热及有限元方法求解三维导热,建立了沿弹道求解导热/辐射耦合的热响应预测方法,计算并获得了沿给定飞行弹道条件下的考虑内部辐射和不考虑内部辐射时的某高超声速飞行器结构部件的热响应特性。研究表明,所发展的耦合计算方法具有较高的精度和较好的工程适用性;考虑内部辐射时,结构部件局部最高温度明显低于不考虑辐射时,最高相差400 K以上,且温度分布趋于均匀,温度梯度减小。相关研究对高超声速飞行器防热结构设计与优化具有重要参考意义。

摘要：基于涡轮/冲压组合动力的水平起降两级入轨飞行模式是重复使用飞行器降低发射成本、缩短发射周期的重要途径之一,气动布局设计需要在飞行器总体规模尺度约束下满足全速域全空域的气动特性、操稳特性及防热特性需求。为研究级间分离特性,讨论了任务使命、动力配置、飞行模式及总体规模限制下的两级入轨(TSTO)重复使用飞行器的气动布局设计,针对二级及一级面临的飞行任务需求和气动特性需求,分别提出了多种气动布局方案。对两种改进方案进行了初步的气动计算,并进行了上升段升重平衡下的飞行剖面重构。为提高级间分离的安全性并提高超声速/高超声速的升阻效率和航向稳定性,对双垂尾及可下折翼梢进行了适当修改,形成了TSTO系统新一轮研究方案,并在此基础上规划了后续研究工作。

摘要：针对飞行器设备舱内外耦合热效应问题,采用三维内外耦合防热结构设计软件3Ddesign进行了飞行器设备舱换热数值模拟研究,获得了辐射热流功率、舱体厚度与热源布置位置对设备舱温度分布的影响规律。计算结果表明:随着辐射热流功率的增大,舱体外壳温度越高,舱内仪器温升越明显;随着舱体厚度的增大,舱体外壳温度越低,舱内仪器温升不明显;在不同运行时间内,内部热源与外部辐射热流在耦合热效应中影响程度不同,且热源与其他模块的相对位置与遮挡情况同样会改变舱内耦合热效应情况。在分析规律后提出模拟设备舱优化参数,经测试能达到正常工作温度范围,可为设备舱防热结构的初始外形设计提供数据支撑。