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《中国空气动力研究与发展中心》 2010年
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流场/结构耦合传热算法在高超声速风洞结构传热分析中的应用

赵金山  
【摘要】:高超声速风洞在模拟飞行器高超声速飞行条件下的气动力/气动热现象时,其内部气体流动通常具有高马赫数、高温的特点,致使前室、喷管喉道、攻角机构等风洞部件处于高温环境下。在某些高超声速风洞中,高温气体长时间流经喷管喉道时,如果不进行水冷,喉道表面温度可能大幅升高,严重影响风洞的运行使用,例如,长时间气动加热产生的高温效应会导致风洞结构材料膨胀,以致改变喉道面积并影响喷管出口马赫数,导致风洞流场品质下降。在以往风洞结构设计中,对材料的热载荷仅进行简要工程估算,但随着风洞前室总温升高,风洞结构面临的加热现象越来越严重,仅进行工程估算已无法满足风洞精确设计的需要。 本文采用流场/结构耦合传热算法对风洞高温部件传热问题开展研究,分别建立了二维高温流场数值模拟方法、结构传热计算方法及流场/结构耦合传热计算方法。圆柱耦合传热数值模拟结果表明,本文建立的数值方法能够较好地模拟流场/结构耦合传热问题。在此基础上,本文通过编写流场/结构耦合传热自定义程序连接高超声速流场计算软件FASTRAN和多物理场计算软件ACE,完成三维耦合传热计算,并通过钝双锥算例进行了数值验证。对FD-17低密度风洞M12喷管及冷却水系统进行模拟结果表明,本文建立的方法用于风洞喷管传热计算是可行的。在此基础上,本文针对FD-22高温高超声速风洞M5.5喷管结构传热问题及HB-2标模在FD-20A高超声速风洞试验过程中内部测力天平热环境分别开展研究。结果表明,在试验过程中,FD-22风洞M5.5喷管的冷却水系统能够保证结构材料处于正常工作温度范围内;HB-2标模在FD-20A高超声速风洞试验过程中的传热计算结果表明其内部测力天平温度升高幅度很小,不会对试验数据测量产生影响。 全文共分五章。 第一章阐述了研究风洞高温部件热传导研究的重要性及国内外高温流场中结构传热计算研究进展,并提出了本文的研究内容。 第二章介绍了热传导和流体力学相关理论,并学习研究了流场/结构耦合传热理论,为下文耦合传热计算奠定基础。 第三章详细论述了本文采用的数值方法。首先介绍了本文数值求解流体力学控制方程的NND格式,然后介绍了离散热传导方程的Frankel-Duffort格式和古典显式格式,并对格式的稳定性及开展高维热传导的必要性进行了分析,最后介绍了流场/结构耦合传热算法。建立了二维流场模拟、结构传热和流场/结构耦合传热计算程序,并通过计算圆柱绕流算例对流场/结构耦合传热计算的有效性进行了验证。针对三维流场/结构耦合传热问题,本文采用耦合传热算法编写用户自定义模块,连接高超声速流场计算软件FASTRAN和多物理场计算软件ACE,并通过钝双锥耦合传热算例对此套方法的可靠性进行了数值验证。 第四章根据高超声速风洞设计和试验分析的需求,开展了FD-17低密度风洞、FD-22高温高超声速风洞喷管结构传热及HB-2标模及其内部测力天平在FD-20A高超声速风洞试验过程中热环境研究。首先对FD-17低密度风洞M12喷管及冷却水系统进行传热计算,验证了耦合传热算法用于风洞高温部件传热计算的可行性。在此基础上,针对正在进行技术改造的FD-22高温高超声速风洞M5.5喷管结构传热问题,模拟了风洞试验过程中,冷却水作用下喷管温度随时间变化过程,为该风洞技术改造提供了参考依据;针对HB-2标模及其内部测力天平在FD-20A高超声速风洞试验过程中的热环境开展的计算分析表明,该天平温升很小,不会影响试验数据。 第五章是本文的结束语。
【学位授予单位】:中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V211.74

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李君哲,阎超,柯伦,张书庭;气动热CFD计算的格式效应研究[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
2 康宏琳;阎超;李亭鹤;郭迪龙;;高超声速再入钝头体表面热流计算[J];北京航空航天大学学报;2006年12期
3 李明;寇军强;;斜切喷管工作过程结构变形数值分析[J];弹箭与制导学报;2007年02期
4 桂业伟,陈兰,余泽楚,张健;窗口区域烧蚀瞬态热响应耦合计算与温升规律研究[J];工程热物理学报;1997年03期
5 桂业伟,袁湘江;类前缘防热层流场与热响应耦合计算研究[J];工程热物理学报;2002年06期
6 夏刚,刘新建,程文科,秦子增;钝体高超声速气动加热与结构热传递耦合的数值计算[J];国防科技大学学报;2003年01期
7 王松柏;多层圆管不稳定导热过程中的温度场及热应力计算[J];哈尔滨船舶工程学院学报;1985年03期
8 熊永亮;郜冶;;喷管温度与应力场的数值研究[J];哈尔滨工程大学学报;2007年08期
9 张小英;蔡国飙;朱定强;;火箭发动机喷管辐射及壁温的计算研究[J];航空动力学报;2008年01期
10 刘友宏;李江宁;才娟;;考虑导热对流和辐射作用的轴对称收扩喷管壁温计算[J];航空动力学报;2008年04期
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1 沈勇;碳/碳固体火箭发动机柔性喷管热及热-结构耦合作用研究[D];华中科技大学;2004年
2 高宗战;航天器高温热保护系统传热计算与数值分析[D];西北工业大学;2006年
3 王作良;喷管热防护的有限元数值分析[D];哈尔滨工程大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王浚;王佩广;;高超声速飞行器一体化防热与热控设计方法[J];北京航空航天大学学报;2006年10期
2 康宏琳;阎超;李亭鹤;郭迪龙;;高超声速再入钝头体表面热流计算[J];北京航空航天大学学报;2006年12期
3 田婷;阎超;;超声速场中的反向喷流数值模拟[J];北京航空航天大学学报;2008年01期
4 张静;阎超;;高超音速双锥绕流数值模拟的格式效应分析[J];北京航空航天大学学报;2008年04期
5 吕建伟;王强;;飞行器表面三维流场与固壁温度场的耦合分析[J];北京航空航天大学学报;2009年08期
6 李鹏飞;吴颂平;;一种新的界面处理方法在气固耦合传热中的应用[J];北京航空航天大学学报;2010年09期
7 姜振华;阎超;;高超声速热流高精度数值模拟方法[J];北京航空航天大学学报;2011年12期
8 牛福生;倪文;梁银英;;粉煤灰泡沫塑料复合保温材料传热过程的数值模拟[J];北京科技大学学报;2009年01期
9 苗艳玲;乔小晶;李旺昌;任庆国;孙志岗;;秒级隔板延期装置输入输出特性的实验及数值模拟[J];北京理工大学学报;2012年04期
10 王臣;梁军;杜善义;;电弧加热器流场数值模拟研究[J];材料科学与工艺;2007年04期
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1 杨炳渊;史哓鸣;梁强;;高超声速有翼导弹多场耦合动力学的研究和进展[A];第十届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2007年
2 蒋海军;阎超;;两级入轨飞行器激波间干扰绕流的数值模拟[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
3 李少勋;阎超;;带激波针的钝体高超声速绕流的数值模拟[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
4 朱辉玉;王刚;孙泉华;樊菁;;高超声速飞行气动热数值模拟的几个关键因素[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年
5 喻亮;茹红强;薛向欣;左良;;C_(纤维)/SiC/B_4C复合材料气动烧蚀氧化过程的数值模拟[A];2005年全国计算材料、模拟与图像分析学术会议论文集[C];2005年
6 边琳;李少鹏;葛锐;杨欢;;EXFEL低温恒温器静态热负荷分析[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第6册)[C];2009年
7 冉政;胡文沛;;差分格式的群不变特性与激波捕捉问题的研究[A];计算流体力学研究进展——第十一届全国计算流体力学会议论文集[C];2002年
8 夏刚;程文科;秦子增;;高超声速流场、结构传热耦合问题的数值研究[A];计算流体力学研究进展——第十一届全国计算流体力学会议论文集[C];2002年
9 石清;耿湘人;张博;;高超音速复杂外形热流的NND有限元数值计算方法研究[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年
10 石清;张涵信;李桦;;复杂外形飞行器热流的NND有限元数值计算方法研究与应用[A];非定常空气动力学研讨会论文选集[C];2007年
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1 闫洁;三维气固两相平板间射流中相间耦合作用的直接数值模拟[D];浙江大学;2009年
2 杨琼梁;超声速飞行器烧蚀与结构热耦合计算及气动伺服弹性分析[D];复旦大学;2011年
3 满亚辉;相变潜热机理及其应用技术研究[D];国防科学技术大学;2010年
4 徐志鸥;防爆环境下大功率三电平变换器功率损耗与散热方法研究[D];中国矿业大学;2011年
5 周满春;薄板坯轧制气车大梁钢的控制冷却工艺研究[D];东北大学;2009年
6 白庆华;随焊锤击应力场数值模拟的研究[D];河北农业大学;2012年
7 李建光;小框体复合外墙保温隔热系统的研究与应用[D];郑州大学;2012年
8 李强;淬火过程的计算机模拟与试验研究[D];燕山大学;2003年
9 吴波;复杂条件下城市地铁隧道施工地表沉降研究[D];西南交通大学;2003年
10 罗坤;气固两相自由剪切流动的直接数值模拟和实验研究[D];浙江大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 韩芳明;船用换热式惯性滤清器物理场耦合计算[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 梁毅峰;高速加工机床电主轴系统关键技术研究[D];合肥工业大学;2010年
3 罗万清;气流焓值对非烧蚀材料表面氧化反应影响的数值研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2010年
4 武淑珍;水溶液在热钢材表面运动状态的分子动力学研究[D];昆明理工大学;2009年
5 黄晟辉;地下混凝土储热桩保温结构的研究[D];吉林大学;2011年
6 李要锋;料渣泵工程陶瓷叶轮的强度分析及有限元仿真研究[D];河南理工大学;2007年
7 徐婷婷;氧化层厚度对高温受热面温度和应力分布影响的研究[D];华北电力大学(北京);2011年
8 王琦;基于仿生观念的轻质薄壁结构隔热承载一体化设计[D];大连理工大学;2011年
9 王宏道;涡轮叶片三维流场仿真与强度分析[D];大连理工大学;2011年
10 吕瑞雪;电连接器的热性能研究[D];北京邮电大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张津,吴护林;发动机喷管隔热涂层的设计和模拟计算[J];兵工学报;2002年02期
2 李明瑞;;非线性几何问题解曲线的全程追踪算法[J];北京农业工程大学学报;1992年02期
3 李君哲,阎超,柯伦,张书庭;气动热CFD计算的格式效应研究[J];北京航空航天大学学报;2003年11期
4 宋允,任慕苏,孙晋良;碳/碳复合材料在推进系统上的应用[J];产业用纺织品;2000年06期
5 马忠辉,孙秦,王小军,杨勇;TPS多层隔热结构数值分析方法研究[J];导弹与航天运载技术;2003年06期
6 吴祥兴,胡伦骥,杜汉斌,胡席远;ANSYS在激光焊接温度场数值模拟中的应用[J];电焊机;2002年09期
7 赵剑锋,王安良,杨春信;接触传热表面粗糙度曲线的统计特征[J];低温工程;2003年04期
8 桂业伟;不规则形状热结构计算中的任意坐标变换和代数网格生成技术[J];工程热物理学报;2000年03期
9 桂业伟,宁勇,王安龄;类前缘外形防热层的瞬态热响应计算研究[J];工程热物理学报;2001年04期
10 宋桂明,周玉,王玉金,雷廷权;固体火箭发动机喉衬材料[J];固体火箭技术;1998年02期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 沈勇;碳/碳固体火箭发动机柔性喷管热及热-结构耦合作用研究[D];华中科技大学;2004年
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1 黄志澄;高超声速风洞发展述评[J];力学与实践;1980年02期
2 战培国;;法国S4高超声速风洞适应性改造[J];实验流体力学;2010年01期
3 张福香,王际敏;高超声速风洞引射器阀门系统的微机控制[J];流体力学实验与测量;1994年01期
4 ;中国军事文摘[J];现代军事;1997年05期
5 徐翔;程克明;王志坚;徐筠;;南航Φ0.5m高超声速风洞流场校测(英文)[J];实验流体力学;2009年04期
6 周勇为;易仕和;陈植;陆小革;葛勇;;M6高超声速静风洞的气动设计和结构研究[J];国防科技大学学报;2011年03期
7 陈河梧;;飞船返回舱高超声速气动特性的风洞实验分析[J];航天器工程;2008年05期
8 王玉花;孙良;郑粤蓉;;高超声速风洞大轴向力中温天平的研制[J];实验流体力学;2006年01期
9 童华;刘振侠;;串联式超声速环形引射器的设计与分析[J];弹箭与制导学报;2011年03期
10 吴继飞;王元靖;罗新福;钱丰学;;高超声速风洞多体干扰与分离试验技术[J];实验流体力学;2010年03期
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1 唐志共;邓建平;王志坚;;CARDC新的φ1米高超声速风洞[A];高超声速前沿问题研讨班[C];2002年
2 范洁川;樊玉辰;姚民斐;张晋平;温向荣;;美国空军海军高超声速风洞——摘自“世界风洞”[A];高超声速前沿问题研讨班[C];2002年
3 黄河激;潘文霞;吴承康;;高超声速风洞用蓄热式加热器[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年
4 黄炳修;贾英胜;孙勇堂;王铁进;;高超音速风洞轴对称喷管设计方法的比较[A];第八届全国实验流体力学学术会议论文集[C];2010年
5 李震乾;;短化型面喷管研制与应用[A];加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇、责任和对策(下册)[C];2002年
6 姜宗林;罗长童;刘云峰;;高超声速风洞实验数据多空间相关理论与关联方法研究[A];第四届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2011年
7 陈小庆;侯中喜;许少华;刘建霞;;乘波构型实验分析[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
8 杨武兵;沈清;庄逢甘;;圆锥可压缩边界层流动国内最新研究进展[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
9 朱孝业;贾英胜;;庄逢甘院士对我国风洞建设做出的重大贡献[A];近代空气动力学研讨会论文集[C];2005年
10 程万;罗喜胜;杨基明;;燃烧加热风洞中水蒸气相变的数值研究[A];第一届高超声速科技学术会议论文集[C];2008年
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1 特约记者 刘军 兰小红;创新成为提升科研能力“金钥匙”[N];大众科技报;2006年
2 刘军 王军蓉;风洞[N];中国航空报;2000年
3 刘 军 兰小红 本报记者 邵 斌 郝东方;那山 那所 那人[N];大众科技报;2003年
4 于杰记者 于莘明;国家大型空气动力试验门户网站开通[N];科技日报;2007年
5 通讯员 刘军兰 小红 记者 于莘明;我国高速空气动力技术获突破性进展[N];科技日报;2003年
6 刘军 兰小红;我国高速空气动力试验技术跻身世界先进行列[N];中国航空报;2003年
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1 赖小平;Φ1米高超声速风洞加热器试验电源及温控系统设计[D];国防科学技术大学;2006年
2 张绍武;高焓高速气流总温热电偶测量技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
3 张孙;类X-43A高超声速飞行器气动力特性及其全流道流动特征的研究[D];南京航空航天大学;2007年
4 赵斌;吸气式高超声速飞行器前体进气道/内流道流动特性研究[D];南京航空航天大学;2007年
5 王志经;吸气式高超声速飞行器设计中的一些概念研究[D];南京航空航天大学;2007年
6 黄昊宇;基于PXI总线的H风洞数据采集和处理信息系统设计与实现[D];电子科技大学;2011年
7 赵金山;流场/结构耦合传热算法在高超声速风洞结构传热分析中的应用[D];中国空气动力研究与发展中心;2010年
8 林胜;高超声速轴对称飞行器气动力特性及其全流道流动特征的研究[D];南京航空航天大学;2007年
9 赵小运;板片蓄热式加热器设计方法研究[D];国防科学技术大学;2011年
10 郭雷涛;Φ1米高超声速风洞动导数试验技术研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2013年
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