飞行器防热结构三维内外耦合验证实验研究
发布时间：2021-04-10 13:16
临近空间高超声速飞行器受内外加热情况严重,舱体外部受严酷的气动热,舱内机载电源、计算机、通讯设备等长时间工作同样会产生大量热量。针对设备舱内外耦合热效应预测与计算分析等方面的需求,需要掌握飞行器受气动热、防热结构与舱内仪器布置对内外耦合热效应的影响规律,为航天飞行器热防护系统的设计提供有效支撑,为三维内外耦合热效应软件国产化提供一定理论依据。本文通过利用课题组自研软件防热结构内外耦合计算软件3Ddesign进行数值模拟,设计相关实验模型进行地面试验与量化分析,深入研究影响内外耦合效应的因素,并取得了一定进展,包括以下几方面:首先,针对高超声速飞行器工作时热量的产生与传递,分析飞行器设备舱防热结构所处热环境,探究三维内外耦合热效应中涉及的基本原理与控制方程,以及节点热网络法和辐射因子计算法的基本原理和控制方程。其次,为开展模拟设备舱受内外耦合热效应情况,加工制造出实体模型与配套检测传感器,并搭建了实验模型的相关约束条件。包括对舱体防热结构、舱内仪器进行简化建模,对制造材料与加工方式的设计,对各设备的辐射因子、安装固定方式、检测设备、密封性等约束条件的选取进行了规划。最后,通过对石英灯辐射...
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
新型号飞行器高超声速飞行器在大气层内飞行，周围空气受到激波的强烈压缩，与飞行器表面
西南科技大学硕士学位论文2图1-2部分飞行器内、外受热情况目前防热结构的计算分析通常是将防热层内壁作为绝热边界，不考虑舱内仪器加热的影响，在飞行时间较短的情况下，舱内仪器加热总量较小，这种假设是合理的。但是，长时间工作的临近空间高超声速飞行器防热结构温度场的预测不仅要考虑到外部气流加热，还要考虑到舱内仪器的加热。新型高超声速飞行器为了实现快速响应，往往要求防热冗余度与外形变化都尽量小，并考虑内外耦合热效应等相关问题，这就对复杂外形飞行器热环境预测精准度、防热材料的制备与考核、热防护方案评估提出了比以往更高的要求[3]。目前地面试验手段可以模拟飞行器结构所受的气动加热工程，但不能完全真实模拟；数值计算可以完成简单模型的耦合受热情况，但是在复杂外形与极端条件下的状态下运算难度大[4]，对于航空器机舱内部的换热，主要涉及到了多体系统的自然对流、导热和辐射的耦合作用，这些复杂因素使得预测和掌握系统中诱发的交互作用变得越发困难，意味着我们必须投入大量的精力设计、制造、验证高性能的系统。面临着载荷更加精确，计算更加准确、测试更加精细、评估更加广泛等需求，实验技术是解决该问题的有效途径[5]，而目前国内针对于高超声速飞行器防热结构的内外耦合热效应的研究大多集中在数值计算方面，实验研究较少，很多计算研究缺乏较为全面的实验验证。采取计算与试验相结合的方法将是解决结构热问题的有效手段。1.2国内外研究现状热防护问题是高超声速飞行的核心问题之一。热防护系统的可靠性和安全性一直以来都是保证飞行器安全飞行的重要因素，备受研究人员关注。临近空间高超声速飞行器的防热结构在长时间的飞行过程中，不仅受到外部气动热环境的加热，还受到飞行器舱内各种器件的加热。防热结
峁苟?ρС绦蝰詈显谝黄稹?近期的研究有，Miller等[11]基于利用一种时间精确的高保真模型，开展了多物理场时间推进的松耦合方法。该方法充分利用了模型间时间尺度差异，在每个传热分析时间步内有多个结构分析时间步，每个结构时间步内有多个流动时间步，将CFD求解器与热力和结构求解器相耦合，考虑了计算精度和效率的影响。Tran和Farhat[12]则在原有的流固耦合串行交错推进的方法上，提出了涉及流尝温度尝动网格场等多耦合场的理论计算方式，在对二维平板与F-16机翼的研究中提出解决网格匹配性与湍流模型修正函数的方法。图1-3Farhat等提出的串行交错（CSS）耦合方法2010年美国俄亥俄州立大学的AdamJohnCuller,M.S.[13]。针对于当前软件不具备无缝处理多耦合、多尺度的流-热-固耦合作用计算，通过针对性简化时间耦合策略与确定不同情况下运动轨迹、运行条件、结构配置等关键特征，有效地建立了高超声速近似气动模型。此外，还确定了动力响应预测对气动加热和结构变形的相互耦合以及热解和结构解的时间耦合非常敏感，准确的动态响应预测所需的耦合度随着脉动压力水平和气动加热速率的增加而上升。2011年美国亚利桑那州立大学的JaidevKhatri[14]研究了高超声速飞行器的建模、分析和控制体统的设计问题。对弹性、质量和物理尺寸的不确定性进行了建模、分析与控制工作。文中提出的方法对指导初始控制相关设计具有一定指导意义，此外还分析了热塑性弹性体质量、热塑性弹性体物理尺寸以及长时间加热对其性能的影响，以了解为标称模型设计的进行集中控制的性能局限性。21世纪初，国内学者相继开展了相关研究，2000年北京空气动力研究所黄唐等人[15]，以二维圆柱绕流模型为研究对象，考虑到传统流尝结构、热问题中人为分割了本应统一计算冷壁热流与结构?
【参考文献】：
期刊论文
[1]电子设备封闭腔内自然对流冷却效果数值分析[J]. 王烨,赵兴杰,蔺虎相,宋荣飞,管国祥. 农业工程学报. 2019(06)
[2]考虑力/热/结构多场耦合效应的飞行弹道预测[J]. 代光月,曾磊,刘深深,冯毅,唐伟,桂业伟. 航空学报. 2018(12)
[3]多场耦合效应对高超声速进气道入口参数影响[J]. 代光月,贾洪印,曾磊,刘磊,邱波. 推进技术. 2018(06)
[4]高性能系统-航天飞行器的力学环境试验与评估[J]. 荣克林,洪洁. 强度与环境. 2017(06)
[5]高超声速进气道前缘流场-热-结构耦合分析[J]. 张胜涛,陈方,刘洪. 空气动力学学报. 2017(03)
[6]高超声速飞行器结构热防护技术现状综述[J]. 欧阳金栋,刘慧慧,邓进,陈雷,龚仔华. 教练机. 2017(01)
[7]飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法[J]. 朱言旦,刘伟,曾磊,张昊元,桂业伟,杜雁霞. 宇航学报. 2016(11)
[8]弹性飞机跨声速机动载荷计算方法[J]. 张辉,李杰. 航空学报. 2016(11)
[9]高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究[J]. 周印佳,孟松鹤,解维华,杨强. 航空学报. 2016(09)
[10]高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计[J]. 李昱霖,刘莉,龙腾,朱华光. 弹箭与制导学报. 2014(05)
博士论文
[1]高超声速飞行器热气动弹性特性及相似准则研究[D]. 刘磊.中国空气动力研究与发展中心 2014
[2]测热试验数据后处理方法及误差机理分析[D]. 曾磊.中国空气动力研究与发展中心 2012
[3]平流层浮空器的热特性及其动力学效应研究[D]. 李德富.哈尔滨工业大学 2011
[4]热辐射与高速流耦合换热的数值研究[D]. 艾青.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]航空器复杂密闭空间自然对流换热及其热分析研究[D]. 张蓓.哈尔滨工业大学 2014
[2]复杂热环境中大型薄壳体内的自然对流数值模拟[D]. 杨小川.哈尔滨工业大学 2008
[3]复杂边界条件下多体结构的瞬态热分析[D]. 王英豪.哈尔滨工业大学 2008
[4]卫星光通信终端中光机系统接触界面温度场研究[D]. 何阿呷.哈尔滨工业大学 2008
[5]航天飞行器结构系统在热—力耦合环境下的健康监控技术研究[D]. 万婧.西北工业大学 2006
本文编号：3129703
【文章来源】：西南科技大学四川省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
新型号飞行器高超声速飞行器在大气层内飞行，周围空气受到激波的强烈压缩，与飞行器表面
西南科技大学硕士学位论文2图1-2部分飞行器内、外受热情况目前防热结构的计算分析通常是将防热层内壁作为绝热边界，不考虑舱内仪器加热的影响，在飞行时间较短的情况下，舱内仪器加热总量较小，这种假设是合理的。但是，长时间工作的临近空间高超声速飞行器防热结构温度场的预测不仅要考虑到外部气流加热，还要考虑到舱内仪器的加热。新型高超声速飞行器为了实现快速响应，往往要求防热冗余度与外形变化都尽量小，并考虑内外耦合热效应等相关问题，这就对复杂外形飞行器热环境预测精准度、防热材料的制备与考核、热防护方案评估提出了比以往更高的要求[3]。目前地面试验手段可以模拟飞行器结构所受的气动加热工程，但不能完全真实模拟；数值计算可以完成简单模型的耦合受热情况，但是在复杂外形与极端条件下的状态下运算难度大[4]，对于航空器机舱内部的换热，主要涉及到了多体系统的自然对流、导热和辐射的耦合作用，这些复杂因素使得预测和掌握系统中诱发的交互作用变得越发困难，意味着我们必须投入大量的精力设计、制造、验证高性能的系统。面临着载荷更加精确，计算更加准确、测试更加精细、评估更加广泛等需求，实验技术是解决该问题的有效途径[5]，而目前国内针对于高超声速飞行器防热结构的内外耦合热效应的研究大多集中在数值计算方面，实验研究较少，很多计算研究缺乏较为全面的实验验证。采取计算与试验相结合的方法将是解决结构热问题的有效手段。1.2国内外研究现状热防护问题是高超声速飞行的核心问题之一。热防护系统的可靠性和安全性一直以来都是保证飞行器安全飞行的重要因素，备受研究人员关注。临近空间高超声速飞行器的防热结构在长时间的飞行过程中，不仅受到外部气动热环境的加热，还受到飞行器舱内各种器件的加热。防热结
峁苟?ρС绦蝰詈显谝黄稹?近期的研究有，Miller等[11]基于利用一种时间精确的高保真模型，开展了多物理场时间推进的松耦合方法。该方法充分利用了模型间时间尺度差异，在每个传热分析时间步内有多个结构分析时间步，每个结构时间步内有多个流动时间步，将CFD求解器与热力和结构求解器相耦合，考虑了计算精度和效率的影响。Tran和Farhat[12]则在原有的流固耦合串行交错推进的方法上，提出了涉及流尝温度尝动网格场等多耦合场的理论计算方式，在对二维平板与F-16机翼的研究中提出解决网格匹配性与湍流模型修正函数的方法。图1-3Farhat等提出的串行交错（CSS）耦合方法2010年美国俄亥俄州立大学的AdamJohnCuller,M.S.[13]。针对于当前软件不具备无缝处理多耦合、多尺度的流-热-固耦合作用计算，通过针对性简化时间耦合策略与确定不同情况下运动轨迹、运行条件、结构配置等关键特征，有效地建立了高超声速近似气动模型。此外，还确定了动力响应预测对气动加热和结构变形的相互耦合以及热解和结构解的时间耦合非常敏感，准确的动态响应预测所需的耦合度随着脉动压力水平和气动加热速率的增加而上升。2011年美国亚利桑那州立大学的JaidevKhatri[14]研究了高超声速飞行器的建模、分析和控制体统的设计问题。对弹性、质量和物理尺寸的不确定性进行了建模、分析与控制工作。文中提出的方法对指导初始控制相关设计具有一定指导意义，此外还分析了热塑性弹性体质量、热塑性弹性体物理尺寸以及长时间加热对其性能的影响，以了解为标称模型设计的进行集中控制的性能局限性。21世纪初，国内学者相继开展了相关研究，2000年北京空气动力研究所黄唐等人[15]，以二维圆柱绕流模型为研究对象，考虑到传统流尝结构、热问题中人为分割了本应统一计算冷壁热流与结构?
【参考文献】：
期刊论文
[1]电子设备封闭腔内自然对流冷却效果数值分析[J]. 王烨,赵兴杰,蔺虎相,宋荣飞,管国祥. 农业工程学报. 2019(06)
[2]考虑力/热/结构多场耦合效应的飞行弹道预测[J]. 代光月,曾磊,刘深深,冯毅,唐伟,桂业伟. 航空学报. 2018(12)
[3]多场耦合效应对高超声速进气道入口参数影响[J]. 代光月,贾洪印,曾磊,刘磊,邱波. 推进技术. 2018(06)
[4]高性能系统-航天飞行器的力学环境试验与评估[J]. 荣克林,洪洁. 强度与环境. 2017(06)
[5]高超声速进气道前缘流场-热-结构耦合分析[J]. 张胜涛,陈方,刘洪. 空气动力学学报. 2017(03)
[6]高超声速飞行器结构热防护技术现状综述[J]. 欧阳金栋,刘慧慧,邓进,陈雷,龚仔华. 教练机. 2017(01)
[7]飞行器结构部件导热/辐射耦合传热特性预测方法[J]. 朱言旦,刘伟,曾磊,张昊元,桂业伟,杜雁霞. 宇航学报. 2016(11)
[8]弹性飞机跨声速机动载荷计算方法[J]. 张辉,李杰. 航空学报. 2016(11)
[9]高超声速飞行器热环境与结构传热的多场耦合数值研究[J]. 周印佳,孟松鹤,解维华,杨强. 航空学报. 2016(09)
[10]高速飞行器气动热结构耦合分析及优化设计[J]. 李昱霖,刘莉,龙腾,朱华光. 弹箭与制导学报. 2014(05)
博士论文
[1]高超声速飞行器热气动弹性特性及相似准则研究[D]. 刘磊.中国空气动力研究与发展中心 2014
[2]测热试验数据后处理方法及误差机理分析[D]. 曾磊.中国空气动力研究与发展中心 2012
[3]平流层浮空器的热特性及其动力学效应研究[D]. 李德富.哈尔滨工业大学 2011
[4]热辐射与高速流耦合换热的数值研究[D]. 艾青.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]航空器复杂密闭空间自然对流换热及其热分析研究[D]. 张蓓.哈尔滨工业大学 2014
[2]复杂热环境中大型薄壳体内的自然对流数值模拟[D]. 杨小川.哈尔滨工业大学 2008
[3]复杂边界条件下多体结构的瞬态热分析[D]. 王英豪.哈尔滨工业大学 2008
[4]卫星光通信终端中光机系统接触界面温度场研究[D]. 何阿呷.哈尔滨工业大学 2008
[5]航天飞行器结构系统在热—力耦合环境下的健康监控技术研究[D]. 万婧.西北工业大学 2006
本文编号：3129703
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