考虑非平衡效应的对流换热特性耦合模拟及热壁修正新思路

高超声速飞行产生的化学非平衡效应及其与表面结构/材料传热的相互作用,带来更为复杂的耦合对流换热特性,并造成用于气动热环境快速预测与评估的热壁修正方法适用性变差。针对上述问题,以碳氧离解环境碳基材料耦合催化加热为研究对象,在高超声速气动热与结构传热耦合数值模拟的研究基础上,进一步考虑化学非平衡效应和气固界面高温化学效应,分析耦合条件下飞行器对流换热特性,并根据耦合模拟结果提出了通过对气动加热按物理过程的贡献进行分解来改进热壁修正方法的新思路。

壁温对压缩拐角流动影响的数值模拟研究

压缩拐角是高超声速飞行器上的典型非连续区域,其分离/再附结构对局部热环境有较大影响。本文采用基于Navier-Stokes方程的自研程序,开展了典型压缩拐角外形的气动热环境数值模拟研究,分析了不同壁温条件下压缩拐角的热环境分布规律。计算结果表明:随着壁温升高,流场整体结构变化不大,但由于近壁面流体物性参数变化较大,导致拐角分离涡分离点向前移动、再附点向后移动,拐角处干扰区扩大;压缩拐角大部分区域的热流随着壁温的升高而减小,且干扰区内热流减小的幅度比无干扰区更大,但热流并不完全遵循随壁温升高而减小的规律。另外,通过对比变壁温计算热流和热壁修正公式修正热流,发现热壁修正公式在干扰区存在精度降低、适用性不足的问题。本文的研究进一步加深了壁温对压缩拐角流动影响的认识,缩小了热壁修正公式的适用范围。