气动加热与热响应耦合分析及试验研究

《气动加热与热响应耦合分析及试验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航天器环境工程第29卷第3期304SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING202年6月气动加热与热响应耦合分析及试验研究任青梅，杨志斌，成竹，蒋军亮(中国飞机强度研究所，西安710065)摘要：文章介绍了J)l如(马赫数)<6的飞行器典型部位的气动加热与热响应耦合分析及试验验证技术。气动加热计算模块采用的是工程算法，同时将其集成到自主开发的结构有限元三维温度场计算ASTSA软件平台上，实现了气动加热与热响应耦合分析功能。在结构地面热试验方面，成功研发了全方程热流密度PLC控制热模拟试验系统，并利用该系统进行了高速飞行器结构气动加热与热响应耦舍地面模拟试验。试验与数

2、值分析的结果对比显示，二者吻合较好，验证了本数值分析方法的正确性。关键词：空气动力加热；热响应；耦舍分析；热模拟试验中图分类号：V211：V214文献标识码：A文章编号：1673—1379(2012)03-0304—04DoI：10．396彰i．issn。1673—1379．2012．03．0130引言气动加热与热响麻耦合是指15I行器外表砸气动流场和温度场的耦合。对于Ma<3的飞行器，其外表面所引起的气动加热热流比较小，不会在外表面产生比较高的温度和温度梯度。预估气动加热热流和结构温度场时壁面温度一般取冷壁温度或辐射平衡温度，可忽略气动加热与壁温的耦合效应，不会引起比较大的预估误差。但

3、对于Ma>3的飞行器，如果不考虑气动加热与壁温的耦合效应，就会导致预估值与文际值相差甚远。因此，需要开展气动加热与热响应耦合分析的方法研究。气动加热算法主要有工程算法和计算流体力学(CFD)算法【1】，而气动加热与热响应耦合分析方法采用的也是这2种算法。工程算法采用气动加热计算的经验公式，更适用于飞行器典型部位的气动加热热流计算，如飞行器的头锥、翼前缘等部何，这种算法相对简甲．而且效率高。工程算法的计算中，气动加热与热响应耦合分析是通过气动加热方程和结构热平衡力‘程的实时迭代来实现。CFD算法可以对任意复杂外形飞行器所受气动加热热流进行计算，计算精度较高，但计算过程复杂，且一些输入参数选

4、取的合理性取决于分析者的经验，同时求解时对计算机的运算速度要求很高，计算量大且计算周期长。因此，CFD算法不宜在飞行器初始设计阶段使用，只有当飞行器设计参数基本确定后，才用CFD算法进行飞行器总体的气动加热验证计算。在不考虑耦合效应的情况下，结构气动加热效应的地面热模拟试验一般有温度控制和热流密度控制这2种方法，它们均足预先给出每个温区控制点的控制参数随时『、日J变化的曲线，并按照给定的参数曲线进行试验过程控制。如果考虑耦合效应，则控制参数选为热流密度，但热流密度控制曲线不能预先给出，需要通过将飞行轨道参数和实测壁面温度值实时输入气动加热方程计算得到，这种控制方法被称为“全方程热流密度运

5、算控制”。本文简要介绍气动加热与热响应耦合分析技术的国内外研究进展，详细阐述对于Ma<6的飞行器典型部位，基于工程算法的气动加热与热响应耦合数值计算方法，以及相应的地面热模拟试验技术，并通过工程实例说明耦合分析方法的可靠性。1气动加热与热响应耦合分析技术的研究进展1．1国外研究情况美围一直在致力于高速飞行器的研制，包括20世纪60年代的X—15、70年代的YF一12A、乃至现今的x．43等飞行器，每个型号的气动加热问题收稿日期：2011-10—19；修回日期：2011-12．叭作者简介：任青梅(1966一)，女，高级工程师，主要研究方向为结构热强度与热防护技术。E-mail：rqm623

6、@yahoo．COrn，cn。第3期任青梅等：气动加热与热响应耦合分析及试验研究研究都采用分析与试验相结合的方法，在进行气动加热数值分析的同时，还开展了大量的地面试验和飞行试验研究。对高超声速飞行器而言，如何解决由气动加热引起的热问题是关键。随着飞行器设计技术的发展，其外表面气动加热载荷的预估方法已从原先的轨道参数一气动加热一结构热响应的分步骤依次进行，发展到目前的轨道参数、气动加热、热响应一体化动态分析。在设计过程中，通过轨道、气动加热、结构热响应各软件之间的迭代计算，实现各物理量之间的实时耦合，提高了分析预估的精度。从而实现用虚拟分析代替部分物理试验，降低了飞行器研发成本，缩短了研制

7、周期【zJ。例如对X．43飞行器垂尾部位的气动加热与热响应耦合分析，采用的是气动加热计算软件与温度场分析软件实时耦合迭代法。气动加热计算采用NASALangley研究中心开发的2个专用计算软件：StagHeat(用于驻点)和SHABP(用于一般部位)：温度场计算使用MSC的PATRANTHERMAL和NASTRAN分析软件。经过气动加热与热响应耦合效应分析，X-43垂尾的温度场分析结果如图l所示。。Ⅵ博j图1X．43垂尾耦合分析温度