先进飞行器半主动/主动冷却结构热力分析与优化设计
发布时间：2021-10-10 04:07
高超声速飞行器是近些年研究的热点,也是航天飞行器未来的发展方向之一。高超声速飞行器在出入大气层或持续在空间飞行时,会遭受严苛的气动热载荷和机械载荷。为了防止飞行器内部结构发生破坏,必须采用热防护系统阻止热量直接进入机身内部,使飞行器内部结构的温度和应力等控制在可接受的范围内,对飞行器机身和内部结构进行保护。热防护系统的设计已经成为高超声速飞行器成败的关键技术之一。因此本文开展热防护系统的相关研究,对在气动加热条件下几种热防护结构的传热、流动换热以及热力耦合进行了分析。首先,对高温多层热防护结构进行了性能分析。通过建立数学模型模拟计算了气动加热条件下多层隔热层的热传导和热辐射。在验证了模型的正确性后,进一步考察了反射屏的数量、分布、隔热材料的密度和反射屏的发射率对于隔热效果的影响,获得了一定条件下相关参数的最优值。其次,对用于翼前缘结构的热管冷却进行研究。建立了耐高温合金材料、耐火复合材料、热管容器以及毛细层组成的四层结构模型。结果表明,在翼前缘结构上使用热管后,可以大大降低翼前缘结构驻点附近的温度,减少整个结构的温度差,有效地降低结构的热应力,从而验证了热管应用于翼前缘结构的可行性。在...
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 各国热防护系统的总体发展状况
1.3 航天热防护技术
1.3.1 被动防热
1.3.2 半被动防热
1.3.3 主动冷却
1.4 热防护系统国内外研究状况
1.4.1 被动热防护系统的发展情况
1.4.2 半被动热防护系统的发展情况
1.4.3 主动冷却热防护系统的发展情况
1.5 主要章节安排
第二章 基本理论与数值计算方法
2.1 热传导问题分析
2.1.1 导热问题的数学描述
2.1.2 瞬态热传导问题有限元的一般格式
2.2 计算流体力学
2.2.1 基本控制方程
2.2.2 湍流分析
2.2.3 CFD模型的离散
2.3 流固耦合及热应力理论分析
2.3.1 流固耦合基础
2.3.2 热力耦合分析理论
2.4 本章小结
第三章 高温多层热防护系统的传热分析
3.1 多层隔热结构的结构特点及简化模型
3.2 多层结构传热原理及数学模型分析
3.2.1 传热机理分析
3.2.2 数学模型分析
3.3 物理模型的建立与网格的划分
3.4 边界条件和模型的验证
3.5 性能参数分析
3.5.1 反射屏层数的影响
3.5.2 反射屏分布的影响
3.5.3 隔热材料密度的影响
3.5.4 反射屏材料表面发射率的影响
3.6 本章小结
第四章 用于翼前缘的热管冷却结构研究
4.1 热管工作原理
4.2 物理模型
4.3 材料的选择
4.3.1 工质材料的选择
4.3.2 吸液芯材料的选择
4.3.3 热管容器材料的选择
4.3.4 外层耐高温合金材料的选择
4.3.5 外层金属材料和热管容器中间层材料的选择
4.4 翼前缘结构的边界条件
4.4.1 简化结构的几何模型
4.4.2 翼前缘外表面热量平衡的的假设
4.4.3 沿着外表面的对流换热系数的定义
4.4.4 热管等温温度的计算
4.5 有限元分析模型
4.5.1 模型的假设
4.5.2 几何尺寸以及相应的有限元模型
4.6 结果分析
4.6.1 有无热管的对于翼前缘结构的影响
4.6.2 外层耐高温合金材料的最终确定
4.6.3 半楔角的变化对于结构温度分布的影响
4.6.4 设计长度的影响
4.6.5 吸液芯孔隙率的影响
4.7 结论
第五章 波纹夹芯主动冷却结构流动换热分析
5.1 几何模型和材料属性
5.1.1 物理模型与几何尺寸
5.1.2 波纹夹芯结构板材和冷却液材料属性
5.2 湍流模型和边界条件
5.3 网格划分与网格独立性验证
5.3.1 网格划分
5.3.2 网格独立性验证
5.4 结果分析
5.4.1 速度场和温度场
5.4.2 冷却剂流速对波纹夹芯结构换热性能的影响
5.4.3 冷却剂流向对波纹夹芯结构换热性能的影响
5.4.4 腹板与下面板的夹角对结构冷却效果的影响
5.5 结论
第六章 波纹夹芯主动冷却结构热力耦合分析
6.1 几何模型、材料属性及边界条件
6.2 温度场分析
6.2.1 内部填充隔热材料的有限元模型
6.2.2 特征点的选取
6.2.3 特征点温度响应曲线
6.3. 结构分析
6.3.1 边界条件设置
6.3.2 热应力计算结果
6.3.3 静力载荷作用时结构承载性能研究
6.3.4 热载荷和静力载荷共同作用时结构承载性能研究
6.4 结论
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
发表论文和参加科研情况说明
攻读硕士学位期间发表的学术论文
攻读硕士学位期间参加的科研工作
本文编号：3427612
【文章来源】：西北工业大学陕西省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：90 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 各国热防护系统的总体发展状况
1.3 航天热防护技术
1.3.1 被动防热
1.3.2 半被动防热
1.3.3 主动冷却
1.4 热防护系统国内外研究状况
1.4.1 被动热防护系统的发展情况
1.4.2 半被动热防护系统的发展情况
1.4.3 主动冷却热防护系统的发展情况
1.5 主要章节安排
第二章 基本理论与数值计算方法
2.1 热传导问题分析
2.1.1 导热问题的数学描述
2.1.2 瞬态热传导问题有限元的一般格式
2.2 计算流体力学
2.2.1 基本控制方程
2.2.2 湍流分析
2.2.3 CFD模型的离散
2.3 流固耦合及热应力理论分析
2.3.1 流固耦合基础
2.3.2 热力耦合分析理论
2.4 本章小结
第三章 高温多层热防护系统的传热分析
3.1 多层隔热结构的结构特点及简化模型
3.2 多层结构传热原理及数学模型分析
3.2.1 传热机理分析
3.2.2 数学模型分析
3.3 物理模型的建立与网格的划分
3.4 边界条件和模型的验证
3.5 性能参数分析
3.5.1 反射屏层数的影响
3.5.2 反射屏分布的影响
3.5.3 隔热材料密度的影响
3.5.4 反射屏材料表面发射率的影响
3.6 本章小结
第四章 用于翼前缘的热管冷却结构研究
4.1 热管工作原理
4.2 物理模型
4.3 材料的选择
4.3.1 工质材料的选择
4.3.2 吸液芯材料的选择
4.3.3 热管容器材料的选择
4.3.4 外层耐高温合金材料的选择
4.3.5 外层金属材料和热管容器中间层材料的选择
4.4 翼前缘结构的边界条件
4.4.1 简化结构的几何模型
4.4.2 翼前缘外表面热量平衡的的假设
4.4.3 沿着外表面的对流换热系数的定义
4.4.4 热管等温温度的计算
4.5 有限元分析模型
4.5.1 模型的假设
4.5.2 几何尺寸以及相应的有限元模型
4.6 结果分析
4.6.1 有无热管的对于翼前缘结构的影响
4.6.2 外层耐高温合金材料的最终确定
4.6.3 半楔角的变化对于结构温度分布的影响
4.6.4 设计长度的影响
4.6.5 吸液芯孔隙率的影响
4.7 结论
第五章 波纹夹芯主动冷却结构流动换热分析
5.1 几何模型和材料属性
5.1.1 物理模型与几何尺寸
5.1.2 波纹夹芯结构板材和冷却液材料属性
5.2 湍流模型和边界条件
5.3 网格划分与网格独立性验证
5.3.1 网格划分
5.3.2 网格独立性验证
5.4 结果分析
5.4.1 速度场和温度场
5.4.2 冷却剂流速对波纹夹芯结构换热性能的影响
5.4.3 冷却剂流向对波纹夹芯结构换热性能的影响
5.4.4 腹板与下面板的夹角对结构冷却效果的影响
5.5 结论
第六章 波纹夹芯主动冷却结构热力耦合分析
6.1 几何模型、材料属性及边界条件
6.2 温度场分析
6.2.1 内部填充隔热材料的有限元模型
6.2.2 特征点的选取
6.2.3 特征点温度响应曲线
6.3. 结构分析
6.3.1 边界条件设置
6.3.2 热应力计算结果
6.3.3 静力载荷作用时结构承载性能研究
6.3.4 热载荷和静力载荷共同作用时结构承载性能研究
6.4 结论
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
发表论文和参加科研情况说明
攻读硕士学位期间发表的学术论文
攻读硕士学位期间参加的科研工作
本文编号：3427612
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