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蛇形管内燃油变物性流动换热特性数值模拟

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 337-345页

作者：李玉王相钦闵敬春清华大学航天航空学院北京100084

蛇形管空油换热器可用于航空发动机的冷却,该文通过数值模拟研究了蛇形管内航空煤油的流动换热特性,分析了燃油入口流速、管壁温及蛇形管直管段长度对流动换热的影响,对比了直管段与弯管段、常物性与变物性下流动换热特性的差异。综合... 详细信息

蛇形管空油换热器可用于航空发动机的冷却,该文通过数值模拟研究了蛇形管内航空煤油的流动换热特性,分析了燃油入口流速、管壁温及蛇形管直管段长度对流动换热的影响,对比了直管段与弯管段、常物性与变物性下流动换热特性的差异。综合考虑换热器的紧凑度及燃油流过换热器时可能发生结焦,蛇形管内径取值2.0 mm,另外燃油流过蛇形管时被加热,温度可以升高数百摄氏度,燃油物性将会产生剧烈变化,因此本研究特别关注蛇形细管内燃油的变物性流动换热特性。研究结果表明:弯管段的对流换热系数明显高于直管段,但同时弯管段压降也显著增大;变物性的对流换热系数明显高于常物性,而变物性的压损明显低于常物性;变物性时管壁温对流动换热特性的影响较为显著,而直管段长度对流动换热特性的影响相对较弱。

关键词：蛇形管航空煤油变物性流动换热数值模拟

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基于射流飞控技术的环量控制阶段数值研究

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 346-357页

作者：王睿雯毕殿方黄旭东清华大学航天航空学院北京100084

环量控制技术通过调节射流喷气量实现翼型气动性能的提升,在Coanda效应作用下,翼型环量会发生改变,且尾缘后流场出现分离。目前环量控制的分离位置与射流位置、射流高度及射流强度的关系尚不明确。该文主要研究了Coanda效应对流场分布... 详细信息

环量控制技术通过调节射流喷气量实现翼型气动性能的提升,在Coanda效应作用下,翼型环量会发生改变,且尾缘后流场出现分离。目前环量控制的分离位置与射流位置、射流高度及射流强度的关系尚不明确。该文主要研究了Coanda效应对流场分布及升阻力特性的影响,并对环量控制的不同控制阶段进行了分析。首先,对NACA0012标准翼型进行尾缘修型,改变尾缘曲率和喷口高度等参数,验证环量控制的有效性;其次,在考虑攻角、动量系数、射流速度3个关键参数的情况下,引入Coanda偏转角,揭示了环量控制的Coanda效应的触发及抑制机理;最后,对NACA0012修型翼型和CC-E0020EJ环量控制翼型提出了分离预测思路。针对环量控制技术中2个控制阶段,通过推阻分解法对升力、阻力进行解构,解释了尾缘后流场分离与再附的超临界现象,提出了分离区域的分析方法。结果表明:Coanda偏转角可以作为动量系数与升力系数的物理判据,翼型下表面的压力损失导致超环量阶段的射流效率降低。

关键词：环量控制 Coanda效应失速特性射流飞行控制气动增升

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热智能材料及其在空间热控中的应用

物理学报 2022年第1期71卷 148-154页

作者：曹炳阳张梓彤清华大学航天航空学院北京100084

空间技术等高新领域对智能高效的热控制技术的需求日益提高,而实现智能热控制技术的关键是要实现材料的热物性智能调控,于是热导率可响应外场变化的热智能材料成为了研究的焦点.本文梳理了热智能材料的最新研究进展,从调控机理、调控幅... 详细信息

空间技术等高新领域对智能高效的热控制技术的需求日益提高,而实现智能热控制技术的关键是要实现材料的热物性智能调控,于是热导率可响应外场变化的热智能材料成为了研究的焦点.本文梳理了热智能材料的最新研究进展,从调控机理、调控幅度、应用价值等角度出发,介绍了纳米颗粒悬浮液、相变材料、软物质材料、受电化学调控的层状材料和受特定外场调控的材料等不同种类热智能材料的研究现状,以及以热智能材料为基础的智能热控部件在空间技术等领域的应用.最后,本文对热智能材料未来的研究方向进行了探讨.

关键词：热智能材料热导率空间热控智能调控

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我国燃烧学研究的一些历史性回顾

燃烧科学与技术 2023年第3期29卷 253-266页

作者：周力行清华大学航天航空学院工程力学系北京100084

我国早在远古时代就发现了燃烧现象,就是取火和用火.从20世纪50年代开始,由于能源、动力、航空航天、化工冶金等工程的迅速发展,我国开始了燃烧理论的研究.我国学者研究了着火理论,层流火焰传播、液滴燃烧和液雾燃烧.20世纪70到80年代之... 详细信息

我国早在远古时代就发现了燃烧现象,就是取火和用火.从20世纪50年代开始,由于能源、动力、航空航天、化工冶金等工程的迅速发展,我国开始了燃烧理论的研究.我国学者研究了着火理论,层流火焰传播、液滴燃烧和液雾燃烧.20世纪70到80年代之间,我国开始了燃烧数值模拟的研究,包括湍流流动模拟、湍流燃烧模拟、两相湍流模拟和两相燃烧模拟.到目前为止,涵盖了雷诺平均模拟、大涡模拟和直接数值模拟.本文选取我国燃烧理论和数值模拟中一些有代表性的研究进行了历史性的回顾,目的是使年青学者对此有更好的了解.

关键词：燃烧理论燃烧数值模拟中国的研究历史性回顾

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超声速支板燃烧室中氢气火焰的超大涡模拟

航空动力学报 2023年第9期38卷 2142-2152页

作者：延冲朴英清华大学航天航空学院北京100084

采用超大涡模拟(VLES)方法对德国宇航中心(DLR)支板燃烧室中的超声速火焰进行了数值模拟,并使用基于守恒变量的爆炸模态分析方法(CCEMA)对火焰的稳定机理进行了分析。研究中采用了基于k-ω切应力输运(SST)模型的VLES湍流模型,以及基于In... 详细信息

采用超大涡模拟(VLES)方法对德国宇航中心(DLR)支板燃烧室中的超声速火焰进行了数值模拟,并使用基于守恒变量的爆炸模态分析方法(CCEMA)对火焰的稳定机理进行了分析。研究中采用了基于k-ω切应力输运(SST)模型的VLES湍流模型,以及基于Ingenito超声速燃烧模型(ISCM)和部分搅拌反应器(PaSR)模型的混合湍流燃烧模型。数值模拟方法预测的时间平均温度和流向速度分布与实验数据的吻合度较高。离散方法方面,提出了一种改进的低耗散激波捕捉格式,拥有更好激波分辨能力。相比原始格式,改进的格式进一步提高了燃烧室支板下游点火区内湍流/火焰结构的模拟保真度。火焰诊断结果表明:在着火点前,组分扩散、化学反应和激波压缩效应都对爆炸模态(CEM)起到正面促进作用。另外热爆炸效应相比自由基爆炸更为剧烈,说明了DLR燃烧室内的火焰稳定模式为扩散和压缩效应协助点火模式。

关键词：超大涡模拟方法超声速燃烧激波捕捉格式化学爆炸模态分析高保真度数值模拟

IDDES-SPOM方法高精度预测空天飞行器激波边界层干扰非定常局部分离流动

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空天技术 2023年第2期2023卷 35-47+74页

作者：杨益江郭晓伟肖志祥清华大学航天航空学院

空天飞行器在执行飞行任务时，飞行马赫数范围较大，常处于超声速或高超声速状态，会面临激波/边界层干扰（SWBLI）等引起的复杂气动力、热等难题，其局部分离存在强压力脉动、高热流冲击等极端动载荷。针对空天飞行器沿程复杂SWBLI干... 详细信息

空天飞行器在执行飞行任务时，飞行马赫数范围较大，常处于超声速或高超声速状态，会面临激波/边界层干扰（SWBLI）等引起的复杂气动力、热等难题，其局部分离存在强压力脉动、高热流冲击等极端动载荷。针对空天飞行器沿程复杂SWBLI干扰引起的非定常局部分离流动，结合RANS高效率模拟近壁流动和LES高精度解析分离的RANS-LES混合方法是极具工程应用潜力的方法。然而，原始RANS-LES混合方法在预测大面积附体而局部分离的SWBLI流动时误差极大，需要在局部分离上游引入小扰动生成湍流结构，方能改善预测效果。以DES类IDDES方法为基础，在其SWBLI上游引入合成粒子组以获得湍流边界层，并应用IDDES-SPOM方法高精度数值仿真了空天飞行器典型部位SWBLI的非定常局部分离流动，包括压缩拐角、三维内流道和多面体等。揭示了激波振荡、局部压力脉动等非定常流动的产生和相互作用机制。该方法可预测空天飞行器典型部位的三维复杂非定常分离流动，预示其动载荷环境，为空天飞行器的结构设计提供理论支撑与分析手段。

关键词：空天飞行器激波/边界层干扰 RANS-LES混合方法合成粒子组方法压力脉动

升压速率对正拱普通型爆破片爆破压力的影响规律及机理研究

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机械工程学报 2023年第2期59卷 69-79页

作者：徐锋刘应华清华大学航天航空学院北京100084

爆破片在设定的爆破压力下迅速动作、及时泄放压力是确保承压设备能够安全运行的关键。影响爆破压力大小的因素很多,其中介质的升压速率直接影响爆破压力的精确度。在0~300 MPa/s范围内测试了升压速率对正拱普通型爆破片爆破压力的影响... 详细信息

爆破片在设定的爆破压力下迅速动作、及时泄放压力是确保承压设备能够安全运行的关键。影响爆破压力大小的因素很多,其中介质的升压速率直接影响爆破压力的精确度。在0~300 MPa/s范围内测试了升压速率对正拱普通型爆破片爆破压力的影响,发现在较低的升压速率范围内,随着升压速率的提高,爆破压力首先发生一定程度的振荡(有的逐渐降低,有的先升高再降低),当升压速率继续升高达到某个范围(拐点)时,又逐渐呈上升状态,上升到某个数值后,趋于稳定。基于试验结果,建立爆破片升压速率与应变速率的关系,提出考虑升压速率影响的爆破压力工程估算方法;对不同应变速率的拉伸试样及爆破片进行金相分析和断口形貌分析,揭示不同升压速率下的材料行为对爆破压力的影响机理:低升压速率情况下,升压速率对材料延伸率及应变硬化的影响是爆破压力波动的主要原因;高升压速率下抗拉强度的改变、动载冲击及应力波是爆破压力提高的主要原因。

关键词：爆破片爆破压力升压速率应变速率机理

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结构爆炸毁伤的浸没多介质有限体积物质点法

力学学报 2022年第12期54卷 3269-3282页

作者：倪锐晨孙梓贤李家盛张雄清华大学航天航空学院北京100084

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合,给数值计算方法带来了极大的困难与挑战.针对结构爆炸毁伤问题,建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM),采用基于黎曼求解器的多介质... 详细信息

结构在爆炸载荷作用下的毁伤现象涉及强非线性激波、固体结构极端变形和破坏破碎、强流固耦合,给数值计算方法带来了极大的困难与挑战.针对结构爆炸毁伤问题,建立了浸没多介质有限体积物质点法(iMMFV-MPM),采用基于黎曼求解器的多介质有限体积法(MMFVM)模拟爆炸产物和空气的多介质流体,采用物质点法(MPM)模拟固体结构,并将提出的基于拉格朗日乘子的连续力浸没边界法(lg-CFIBM)扩展到多介质流体中以处理流固耦合边界条件.该算法在每个时间步严格满足流固耦合界面处的速度边界条件及动量守恒方程,不需要重构流固耦合界面,能够有效地模拟近场爆炸下爆炸产物与结构的相互作用、激波与结构的相互作用和演化以及结构的动态断裂和拓扑变化.利用iMMFV-MPM对近场爆炸下方形钢筋混凝土靶板的失效模式、外爆载荷下建筑物的毁伤现象以及多腔室内爆炸试验进行了模拟,模拟结果与相关实验数据吻合良好,验证了所建立的流固耦合算法的有效性及精度.

关键词：结构爆炸毁伤流固耦合浸没边界法多介质有限体积法物质点法

泡沫铜肋细小通道热沉中的R134a流动沸腾换热实验研究

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中国科学：技术科学 2022年第2期52卷 333-342页

作者：高武焕付铠徐向华梁新刚清华大学航天航空学院北京100084

泡沫金属被广泛应用于换热强化.本文研究了一种泡沫铜肋细小通道热沉的流动沸腾换热性能.泡沫铜的孔隙率为0.8,包含4条宽503μm、高990μm的矩形通道.实验工质为R134a,质量流速范围是595~1213 kg/m^(2)s,热流密度范围是22~172 W/cm^(2)... 详细信息

泡沫金属被广泛应用于换热强化.本文研究了一种泡沫铜肋细小通道热沉的流动沸腾换热性能.泡沫铜的孔隙率为0.8,包含4条宽503μm、高990μm的矩形通道.实验工质为R134a,质量流速范围是595~1213 kg/m^(2)s,热流密度范围是22~172 W/cm^(2).实验得到了不同质量流速、热流密度和干度条件下的换热系数变化规律,分析了不同热流密度下的换热恶化现象.对比了实体肋平行通道热沉的换热性能,发现泡沫铜肋热沉在低热流密度下具有良好的强化换热效果,在高热流密度下反而使换热弱化,反转的热流密度在87~100 W/cm^(2)之间,随流量增大而增大.通过对比流动沸腾流型,解释了泡沫铜肋在高热流密度下引发换热恶化的物理机制.

关键词：泡沫金属细小通道多孔肋流动沸腾换热蒸干