高速飞行器减阻杆槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆槽道组合构型。基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均Navier-Stokes方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了减阻防热特性以及其影响因素。数值结果表明:相较于单一减阻杆,引入槽道后,侧向排气将分离激波推离减阻杆,飞行器主体再附激波强度明显减弱,组合构型减阻防热特性显著提高;槽道收敛半角越大,侧向排气孔位置越靠近减阻杆中部,构型减阻防热效果越好;随着飞行动压的增加,构型减阻防热性能不断提高。在研究范围内,收敛半角为60°,侧向排气孔位于减阻杆中部的组合构型减阻防热总体效果最好,并且在动压在30.15 kPa时达到最佳,相比单一减阻杆,飞行器主体壁面热流峰值降低33.84%,总阻力降低14.44%。

单晶叶片取向相关的统一屈服强度分析方法及应用

考虑非施密特效应提出了等效临界分解剪切应力来统一单晶(SC)合金不同取向的屈服强度。利用5种单晶合金的试验数据,建立了统一的等效屈服准则(EYC),对两种单晶合金非常规取向宏观屈服强度的预测精度在可接受范围内。将晶体学弹性本构模型与EYC编制为ABAQUS/UMAT用户子程序,计算了DD6单晶叶片在873种取向条件下的静强度储备系数。结果表明:取向相关的屈服强度分析方法简单有效,较适于工程应用;所开发的单晶叶片计算工具可快速评估单晶叶片静强度;不同晶体取向条件下该型单晶叶片叶身在最大状态下的静强度储备系数在1.8~2.8之间;此型叶片静强度在一定程度上受到晶体取向随机性的影响,但不同取向下其储备系数都满足准则要求。

单晶高温合金持久性能各向异性分析

为阐述单晶高温合金持久性能各向异性规律,收集了Mar-M247、RR2000、DD6、PWA1484、CMSX-2、CMSX-4、Alloy454与SC7-14合金的持久寿命数据,调研文献探索其影响因素,总结了近〈001〉取向小角偏离对持久寿命的影响,研究晶体取向与持久寿命间的关系,定量分析了温度对持久性能各向异性的影响。结果显示:{111}〈112〉滑移系的"位错滑移"与"晶格转动"是中低温下(760~850℃)单晶合金持久性能各向异性的重要原因;偏角相同的条件下,靠近"[001]~[011]"边界的近〈001〉取向持久性能相对优异;不同牌号单晶合金持久性能各向异性规律不同,不存在恒定的"持久性能最优取向";随着温度升高,晶体取向对持久性能影响减弱,针对DD6与CMSX-4合金,高温下(大于950℃)可用〈001〉热强综合参数曲线评估〈011〉与〈111〉取向的持久强度。

取向相关的单晶高温合金低周疲劳寿命评估方法

为研究单晶(SC)高温合金低周疲劳(LCF)性能各向异性规律,收集了SC7-14-6、DD3、PWA1480、Rene N4与DD6共5种单晶合金的低周疲劳试验数据,校验了文献中单晶合金不同晶体取向的弹性模量计算方法,利用不同取向的弹性模量对总应变幅进行修正,提出了一种简单的适用于单晶合金不同取向的低周疲劳损伤参量,进而形成了取向相关的单晶合金低周疲劳寿命评估方法,利用上述5种合金的试验数据对方法进行了验证。结果表明:弹性模量是单晶合金LCF性能各向异性的重要影响因素;文献中的不同晶体取向弹性模量换算方法较为可靠;所提低周疲劳寿命评估方法的预测结果大多在2倍分散带内。此方法形式简单、效果显著,较为适合工程应用。

高速稀薄流域防热减阻概念构型气动性能

为探究高速稀薄流流域凹腔槽道的气动特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,建立了凹腔深宽比为1,槽道高度分别为0、10、20、30、40 mm以及基准高度为20 mm的唇口钝化半径为2~20 mm的凹腔槽道构型,获得了不同算例的气动热系数和气动力系数的变化情况,分析了不同槽道高度以及不同唇口钝化半径的凹腔槽道构型对气动热与气动力性能的影响。数值结果表明:稀薄流流域中凹腔槽道构型能够达到预期的防热减阻效果,较优构型(槽道高度为20 mm)的防热率与减阻率分别达到6.99%和4.44%;槽道高度越高,减阻效果越好,但防热效率降低甚至出现防热反作用;凹腔腔体内部气体由稀薄流转化为连续流,凹腔内气体压力不断振荡;唇口钝化处理可以在保证阻力系数增加不大的情况下显著降低峰值传热。

高速飞行器防热减阻新概念构型的气动性能

提出了一种高速飞行条件下兼具防热减阻的凹腔槽道气动构型,建立了凹腔深宽比为1,槽道高度分别为0、10、20、30、40 mm的凹腔槽道构型,以及槽道入口高度固定为30 mm,出口高度分别为35、40、45、50 mm的扩张型凹腔槽道构型。采用求解Navier-Stokes(N-S)方程方法进行计算,获得了不同算例的鼻锥外壁面热流密度分布以及构型阻力系数的变化情况,分析了凹腔槽道构型参数对气动热与气动力性能的影响。数值结果表明凹腔槽道构型能够达到预期的防热减阻效果。较优构型(槽道进出口高度比为30/50)的防热率与减阻率分别达到40.1%和16.8%。槽道高度越高,减阻效果越好,但防热效率降低。相较于平直型凹腔槽道,扩张型凹腔槽道构型能够在保证防热率不变的情况下显著提升减阻性能。