高超声速飞行器异型气膜孔无喷流热增量研究

目的获取高超声速飞行器气膜孔不喷流时的热负荷增量。方法通过计算流体力学(CFD)方法针对典型高超声速飞行器50km、飞行马赫数为15条件下的无开孔、有开孔气膜冷、有开孔无喷流3种工况开展壁面热流分布研究。结果无开孔的最大热流分布在头部滞止点附近,约为2.2 MW/m~2,有气膜冷却的工况热流最高值在侧面气膜孔没有覆盖到的部位,约为1.4 MW/m~2,有异型孔但是不喷流的工况,热流密度最大值主要分布在开孔附近,最大值大于3.3 MW/m~2。结论对于在高超声速飞行器表面开孔采用气膜冷却方式冷却时,如果由于某种原因气膜孔不喷流,那么在孔的附近乃至整个滞止区域附近的热流负荷将会大幅度升高。     

再入飞行器超高温陶瓷防热应用研究

目的探索尖锥外形高超声速飞行器超高温陶瓷防热设计约束要求。方法基于计算流体力学有限体积数值求解方法研究高超声速层流状态尖锥形飞行器的气动热环境,通过不同攻角下热流及辐射平衡温度分布规律研究获得防热设计约束要求。针对典型尖锥飞行器超高温陶瓷防热设计要求开展几何尺寸、攻角范围影响研究,最后探讨超高温陶瓷高性能热导率对防热设计影响。结果尖锥飞行器高热流仅限于驻点附近很小的区域,迎风面热流随着攻角增大迅速提高。满足防热设计约束的极限飞行攻角与端头长度呈正比,端头长度增加0.1m,极限攻角增大10°。超高温陶瓷热导率对端头防热设计影响较大,随着材料热导率增大50%,驻点辐射平衡温度降低205 K,端头连接结构温度增大50 K。结论尖锥体超高温陶瓷端头防热设计的重要约束指标为端头连接结构温度限制,设计时需要合理优化飞行攻角剖面,选取热导率性能适中的材料。     

高超声速飞行器主动式气膜冷却防热技术研究

目的针对未来高超声速飞行器(飞行速度20 Ma),提出一种主动式气膜冷却防热技术,并计算验证其有效性。方法通过求解三维N-S方程组,采用PARK-1的5组分(N2,O2,N,O,NO)17方程有限速率化学反应模型,考虑了真实气体效应;针对典型的钝头体外形,在头部驻点处构造单个气膜冷却微孔,向外喷射冷却气体,计算了飞行马赫数为20、高度在30 km以下的气膜冷却效率。结果与无气膜冷却相比,有气膜冷却时,气膜孔附近等温壁面(300 K)热流密度的最高降幅约90%,冷却气体有效覆盖面积可达到约孔出口面积的10倍。结论气膜冷却在未来高超声速飞行器防热中具有广阔的应用前景。     

金属尖化前缘模型主动式热疏导性能试验研究

目的为了更好地解决高超声速飞行器舵、翼前缘及头锥等气动热环境恶劣区域的热防护问题。方法采用主动式热疏导技术,以高温液态合金为工质,设计并制作具有主动式热疏导功能的尖化前缘金属试验模型(R=5 mm)。根据模型外尺寸设计加工一套石英灯仿形加热器和热流测试模型,开展地面热环境模拟试验。结果试件在前缘中心温度530℃左右时具有瞬态启动特性。前缘中心和大面积中心最大辐射热流密度分别为1000 kw/m^2和580 kw/m^2,试件在该环境中长时间受热状态下仍具有较好的热疏导能力。试验后试件无工质泄漏和结构破坏,具有一定的可重复使用性。结论可以此热疏导方式结合现有成熟热防护技术进一步开展工程设计与应用。     

前缘射流对空腔噪声抑制效果的试验研究

目的通过在开式空腔前缘增加矩形口射流、九孔射流和九斜孔射流,探究三种射流方式对空腔自激振荡噪声的抑制效果。方法通过风洞试验对亚、跨声速(Ma=0.3、0.45、0.6)下基于前缘射流的空腔噪声抑制方法开展研究,在空腔指定位置安装传声器,获取不同工况下空腔内的噪声信息,综合对比三种射流方式下空腔峰值频率、空腔底部及后壁声压级分布、总声压级分布及不同测点处的频率曲线特征,评估三种前缘射流方式对空腔噪声的控制效果。结果在来流速度Ma=0.3时,三种射流方式对空腔峰值频率处的声压级均有一定抑制效果,但由于前缘射流的引入导致空腔前端底部噪声总声压级提高;在来流速度Ma=0.45时,三种射流方式对空腔峰值频率处的声压级及宽频噪声均有显著抑制效果;在来流速度Ma=0.6时,除矩形口射流对空腔噪声有明显的抑制作用,其他两种射流方式使得空腔内噪声水平增强。结论在空腔前缘引入射流在一定来流速度下能够实现空腔峰值频率处噪声及宽频噪声的有效降低,前缘射流对空腔噪声的抑制效果随射流方式的不同而存在较大差异。     

发动机燃烧室内壁材料热环境的气动热试验模拟技术研究

利用超声速矩形湍流导管和等离子电弧加热器模拟了发动机燃烧室内流和高超声速飞行器外壁面外流热环境,进行了平板表面冷壁热流测量和燃烧室内壁材料考核试验。结果表明:由于辐射换热的影响,在选取的两个典型来流条件下,发动机燃烧室内流热环境下的冷壁热流比外流热环境下的高出21%和40%,但是冷壁热流的增量基本相当,约为0.70~0.80MW/m²。随着冷壁热流的增加,辐射换热产生的热流增量的影响力会逐渐减小。材料考核时,相同配方的C/SiC复合材料在内流热环境下的表面温度高出约400℃,背面温度高出约90℃,这种差异对于发动机燃烧室内壁面材料考核至关重要,必须在材料考核试验中加以考虑。      

C/SiC复合材料波纹点阵结构进气道前缘设计与制备

目的 C/SiC复合材料进气道前缘轻量化设计与制备。方法基于进气道气动外形和结构要求,建立波纹点阵夹芯结构的进气道前缘有限元模型,然后按照德国航空中心H2K超声速风洞试验室试验的数据进行反演,得到进气道前缘的热流密度分布,据此进行边界条件加载,在模型中考虑固体导热、表面辐射以及空腔辐射三种传热方式。采用瞬态传热算法,求解100 s下进气道前缘的温度场,为了进一步降低C/SiC复合材料波纹点阵结构进气道前缘的最高温度,设计不同的进气道前缘尖端半径,并进行优化。最后根据优化得到的波纹点阵进气道几何参数,采用PIP法制备出C/SiC复合材料点阵结构进气道前缘。结果进气道尖端半径小于0.5mm时,最高温度高于1800℃,超过C/SiC复合材料极限温度;进气道尖端半径大于1.0 mm时,最高温度为1520℃,低于C/SiC复合材料极限温度;进气道尖端半径大于2.0 mm时,增大半径对降低进气道前缘最高温度没有明显的作用。不同进气道前缘尖端半径下,最高温度达到稳态的时间不一样,半径等于0.5 mm时,进气道前缘达到稳态的时间约为30 s左右。随着前缘尖端半径增大,最高温度达到稳态的时间增加,半径为1.0 mm时,达到稳态时间约为60 s。结论进气道前缘最高温度随着尖端半径增大明显降低,当半径大于2.0 mm时,增大半径对降低进气道前缘最高温度没有明显的作用。     

陶瓷基复合材料连接结构失效分析方法

目的分析陶瓷基复合材料的结构强度。方法围绕C/SiC陶瓷基复合材料连接结构失效分析问题,提出模量突降和渐进损伤两种分析方法,基于Abaqus软件平台编写UMAT有限元分析子程序,结合试验数据分析多种不同失效准则在陶瓷基复合材料结构强度分析中的适用性。结果基于改进三维Hashin失效准则,针对典型C/SiC复合材料连接结构进行了失效行为计算,获得结构的失效模式与试验结果规律一致,破坏载荷的预测误差在10%以内。结论通过与试验结果的对比分析,验证了两种方法的有效性,研究方法能够为高超声速飞行器、天地往返飞行器复合材料热结构的强度分析提供技术支撑。     

调水型水库藻类对调水氮、磷浓度与水量的响应

以南方某典型的调水型水库为研究对象,采用EFDC模型建立了水库的三维水动力和富营养化模型,并根据长历时的水文和水质数据对模型进行了率定和验证.基于模型计算结果,分析了水库氮、磷浓度对藻类生长的影响,计算了藻类对调水氮、磷浓度及调水量的响应关系.结果表明,水库氮、磷浓度对藻类生长的限制作用很小.在降幅相同的情况下,降低磷浓度比降低氮浓度的藻类浓度降幅更大,削减60%的氮,叶绿素a无明显下降,削减60%的磷,叶绿素a平均下降12.4%,分别削减90%的氮和磷,叶绿素a分别平均下降17.9%和35.1%.当调水量高于现状的20%,藻类浓度随调水量增大而降低,当调水量低于20%,藻类浓度随调水量增大而升高,调水量比现状增大1倍,叶绿素a平均降低25.7%,调水量降至20%,叶绿素a平均升高38.8%.本研究对于支撑水源地的富营养化控制工作具有重要意义.     

高超声速导弹随机振动响应分析

目的 研究某高超声速导弹飞行过程中的振动状态,获得导弹在给定压力载荷下的振动响应特性。方法结合有限元分析、随机振动理论,利用三维软件构建导弹有限元模型,并在Ansys Workbench平台对其进行模态分析及谐响应分析。基于模态分析结果,对导弹进行随机振动响应试验,探究导弹在频域及力学上的振动响应特征。结果 计算得出导弹前六阶固有频率和振型,获得导弹上一检测点在给定振动激励载荷下的加速度响应曲线,并得到导弹整体结构的应力分布云图。结论 导弹模型强度符合要求,导弹在振动激励载荷下的加速度响应峰值均出现在380~400Hz,应力极值出现在导弹尾部区域,在此区域内,导弹更易产生结构性损伤。在飞行器地面环境模拟试验中,应着重考虑此频域及位置的振动条件。     

陶瓷防热瓦间缝隙气动加热规律研究

在分析缝隙内部流动特征的基础上,利用CFD技术对瓦间缝隙气动加热的参数影响规律进行了研究,着重探讨了来流马赫数、攻角、缝隙宽度、倒角半径及瓦间台阶因素对缝隙内部热流分布的影响。研究结果表明,缝隙内部热流呈U形分布,缝隙内部热流随着马赫数的增大而减小,随着攻角、缝隙宽度、倒角半径、瓦间台阶的增大而增大。     

再入攻角对弹头锥身气动热环境及结构热响应影响研究

目的分析再入弹头锥身气动热环境及结构热响应,研究再入攻角振荡对其影响规律。方法建立基于工程法的气动热/结构热响应耦合计算方法,并采用该方法开展锥身典型位置气动热环境及结构热性计算分析。结果随着再入攻角的振荡衰减,各典型子午面冷壁热流密度曲线围绕90°子午面热流密度曲线振荡,其振幅呈现先振荡增大、后振荡衰减的变化规律。与90°子午面相比,各子午面总加热量均有所增大。再入攻角振荡引起的金属层外壁面温度最大振荡幅值为3K,但对最终时刻结构温度影响较小。结论计算弹道条件下,再入飞行攻角振荡对气动热环境及结构热响应影响较小,可通过增加余量的方式给予考虑。     

气动热效应对某红外导引头影响分析

导弹高速飞行时所产生的气动热,将影响探测器正常成像质量,从而影响导弹的命中精度和导引头的作用距离.由于新型隔热材料的采用,气动热对导引头性能影响减小很多.采用ANSYS软件对某导弹的气动热效应进行仿真,为高速导弹气动性能分析及其环境失效研究提供参考.     

二氧化碳介质气动加热环境下碳化热解类防热材料烧蚀机理分析

目的研究轻质热解类防热材料在高焓CO_2气动加热环境下的炭化层烧蚀机理。方法建立考虑化学反应动力学过程影响的材料热化学烧蚀特性计算方法,研究碳化热解类防热材料在二氧化碳介质气动加热环境下的炭化层烧蚀机理,分析与空气介质环境下的材料烧蚀特性差异,计算得出二氧化碳气体离解、热解引射气体质量流率和组分等因素变化对防热材料烧蚀特性的影响规律。结果 3000K温度下,当压力为1.0×10~5 Pa时,二氧化碳组分和地球大气的无因次烧蚀因子分别为0.26和0.17。结论压力或温度升高、二氧化碳离解程度升高、来流扩散质量流率或热解气体流率减小,均会使材料无因次质量烧蚀率更大,同时烧蚀热效应也发生相应改变。     

真空热试验红外加热笼运动驱动系统设计

目的解决在航天器真空热试验中,单纯依靠红外加热笼自身设计,无法兼顾高、低温工况外的热流模拟需求问题。方法设计一套运动驱动系统,并应用于型号试验,通过调整红外加热笼的相对位置,调节不同工况下外热流模拟能力。结果该系统满足空间环境模拟器机械和电接口要求,克服了真空热试验环境高真空、超低温等因素的影响,实现了红外加热笼的平稳可靠移动,使其最大、最小辐射热流密度等指标得到显著提升。结论真空热试验中,通过运动驱动系统适时调整红外加热笼的相对位置,可以使其更好地适应不同工况需求,并提高外热流模拟整体能力。     

内嵌式蒙皮散热器气动阻力影响研究

目的 开展内嵌式蒙皮散热器对小型飞行器气动阻力影响研究,探明气动阻力产生的原因及影响因素。方法 利用数值仿真技术,对气动阻力增大的诱因进行理论分析,分别研究蒙皮散热器引流口半径、导流口半径和翅片厚度等结构参数对飞行器气动阻力及散热性能的影响,进而平衡蒙皮散热器散热能力和飞行器气动阻力等设计指标。结果 配置蒙皮散热器为电子设备提供热沉会导致小型飞行器气动阻力增大,原因是配置散热器诱导产生了额外的压差阻力和摩擦阻力。结论 增大引流口、导流口半径可减小压差阻力,增加翅片厚度,则可减小摩擦阻力,进而减小飞行器气动阻力。增加翅片厚度,可使气动阻力减少20%以上,同时也会导致传热性能的显著降低,增大引流口、导流口半径则可在一定程度促进传热。     

原位电阻热脱附土壤升温机制及影响因素

探究了原位电阻热脱附技术加热土壤升温机制及影响因素.利用原位电阻热脱附小试设备,研究了电流、加热方式、补水及负压对土壤升温和能耗的影响.结果表明,土壤升温主要通过两种机制:一是电能转化成热能,通电对土壤直接加热使土壤温度升高,该升温机制主要存在于两电极之间的土壤;二是热传导,电极之间土壤温度最高,热量逐渐由高温土壤传导至低温土壤,使电极连线周边土壤温度逐渐升高.加热电流大小,影响土壤升温速度,电流越大,土壤升温越快,单位能耗越低;间歇加热方式与连续加热方式相比,土壤升温速度慢,达到相同温度所需时间长,但单位能耗低,仅是连续加热方式能耗的45.2%;加热过程中需不断向电极附近补充水分,以维持较高电流的持续加热;抽提负压大,土壤热损失多,单位能耗高,抽提负压对抽提管附近土壤温度影响最明显.在实际工程中,宜根据时间、成本和效果等选择合适的工艺条件,以期提高原位电阻热脱附修复污染土壤的效率,降低能耗,缩短工期.     

三江平原沼泽湿地垦殖对蒸散量的影响

三江平原沼泽湿地大面积垦殖已对区域生态环境产生了明显影响.2005～2007年每年5～10月利用涡度相关系统对三江平原典型沼泽湿地、水稻和大豆田进行了观测,目的是阐明沼泽湿地垦殖为农田对地表水分蒸散的影响.结果表明,沼泽湿地垦殖前后潜热通量日变化均表现为单峰变化特征,但其最大值当湿地垦殖为水稻田后增加了14%～130%,当垦殖为大豆地后在2006年增加了3%～77%,而在2005年和2007年发生干旱时降低了25%～40%.植被叶面积指数差异是造成不同系统潜热通量日变化差异的主要原因.沼泽湿地垦殖为农田没有改变潜热通量的季节变化趋势,但是当垦殖为水稻田后潜热通量明显增加,5～10月水稻田日平均潜热通量较沼泽湿地增加了38%～53%,这主要是由于净辐射和叶面积指数增加所致.相比之下沼泽湿地垦殖为大豆地后潜热通量的变化与降水密切相关,土壤水分亏缺时降水量是控制大豆地水分蒸散的主要因子,这导致干旱的2005年和2007年大豆地日平均潜热通量较沼泽湿地减小了11%～17%,而在降水充沛的2006年大豆地蒸散量较沼泽湿地蒸散量增加了22%.生长季(6～9月)内水稻田总蒸散量较沼泽湿地增加了24%～51%,大豆地总蒸散量在2005年和2007年较沼泽湿地减少了19%～23%,而在2006年增加了19%.总之,三江平原沼泽湿地开垦种植水稻或大豆蒸散量发生明显变化.稻田潜热通量高于湿地;大豆田潜热通量在降水充沛的年份高于湿地,但在干旱年份则低于湿地.这与净辐射、叶面积指数和降水量等蒸散量主控因子的改变密切相关.     

安徽省冬季采暖耗能对全球气候变暖的响应

基于1971—2018年安徽省77个气象站均一化日平均温度资料,采用趋势分析等方法,研究气候变暖对冬季采暖耗能的影响。结果表明：近48年安徽省冬季显著增暖,采暖初日推迟、终日提前,采暖期长度缩短,采暖强度显著下降。冬季温度在1989年发生突变,此后进入升温通道,因而将研究序列划分为基准时段（1971—1989年）和变暖期（1990—2018年）。相比于基准时段,变暖期内采暖期长度呈现空间一致性缩短,变化幅度自东北向西南递减,皖北北部及江淮之间东部缩短程度最大,大别山及皖南山区为全省低值区。全省采暖强度均减少,减少幅度自北向南递减。采暖节能贡献率介于3.6%~8.9%之间,高值区主要位于皖北北部、江淮之间北部和沿江东部,低值区则位于大别山及皖南两大山区。