超聲速即為速度超過聲音在空氣中的傳播速度，在超聲速飛行過程中，一些傳熱特性有待研究。
郭大海等採用N-S方程、代數湍流模式，對超聲速繞二維波紋壁的氣動與傳熱問題進行了數值研究，得到平緩壓力分布與劇烈熱流變化的結果，與國外相同條件下的實驗結果一致。
仲峰泉等基於煤油的超聲速燃燒實驗以及超臨界態煤油傳熱實驗，結合了用於研究氣體高溫離解作用的NASA CEA軟體包和用於研究碳氫化合物高溫熱物理特性的NIST Supertrapp資料庫，提出了流/固耦合的一維傳熱分析。
張棲誠使用Abaqus有限元分析軟體對建立一體化熱防護結構的傳熱分析有限元模型，並進一步研究結構的防熱特性，為結構設計提供依據。
基本介紹
- 中文名：超聲速傳熱
- 外文名：Supersonic heat transfe
- 一級學科：航空航天
- 二級學科：傳熱學
- 超聲速：速度超過聲音在空氣中的傳播速度
- 傳熱：熱能從高溫向低溫部分轉移的過程
超聲速,超聲速繞二維波紋壁的傳熱問題,帶主動冷卻的超聲速燃燒室傳熱,一體化熱防護結構傳熱分析,
超聲速
超聲速即為速度超過聲音在空氣中的傳播速度，此時有可能會產生激波，激波就是在流體中以高於聲速的速度傳播並對流體產生壓縮作用的波。氣體中的激波最明顯，受到壓縮的氣體與未受到壓縮的氣體之間有一個很薄的波陣面隔開。這個波陣面的前後的壓力不同，具有突然變化。這個壓力比越大，激波就越強。
超聲速繞二維波紋壁的傳熱問題
太空梭的陶瓷防熱瓦，由於材料的脆性，每次著陸後，都有為數不少的防熱瓦塊脫落，需重新補修後才能再次飛行。這種防熱瓦的脫落與修補，不僅增加有效載荷的成本，而且影響二次飛行間的停留周期。為此，科學家們正在研製一種金屬熱防護材料以取代陶瓷防熱瓦。為了保證金屬熱防護材料的剛度，一個有效的方法是採用波紋壁結構。於是繞波紋壁的氣動與傳熱問題引起人們的關注。有文獻給出國外波紋壁氣動與傳熱的風洞試驗研究結果。試驗結果表明:對厚邊界層的波紋壁，其壁面壓力變化平緩，波峰與波谷的壓力值僅差1.3倍左右，而壁面熱流密度變化劇烈，波峰與波谷的壁面熱流密度值最大可相差10倍左右。這種平緩壓力變化與劇烈的熱流變化反映了小尺度旋渦結構的固有特性，在學術上是一個重要的發現。郭大海等採用N-S方程、代數湍流模式，對超聲速繞二維波紋壁的氣動與傳熱問題進行了數值研究，得到平緩壓力分布與劇烈熱流變化的結果，與國外相同條件下的實驗結果一致。這對於進一步深入研究小尺度旋渦的特性具有重要的意義。
帶主動冷卻的超聲速燃燒室傳熱
飛行器結構的熱防護一直是高超聲速飛行的關鍵性問題之一。當飛行馬赫數大於6時，燃燒室內燃氣總溫可高達3000K對於這樣的高溫環境，熱防護需要考慮以碳氫燃料為冷卻劑的主動冷卻系統，即在燃燒室固壁內構造冷卻通道，導入冷卻劑，利用小管道流動的對流換熱機制，吸收壁內的熱量，將壁溫控制在一定範圍內。同時，作為冷卻劑的燃料吸熱升溫後將注入燃燒室燃燒，使其吸收的熱量得以回收利用。
碳氫燃料的主動冷卻是一個較複雜的流動、傳熱過程。在實際高超聲速工況下涯力一般高於燃料的臨界壓力2. 2 MPa，燃料的吸熱升溫可以從常溫一直到最高工作溫度（約1000 K）。在此溫度變化範圍內，燃料將不再由液態經過兩相區到達氣態，而是由液態直接進入超臨界態，繼續升溫後出現熱裂解反應，進入裂解態。同時，燃料的吸熱過程受到燃氣主流、壁面材料以及冷卻結構等多種因素的影響，是一個典型的流體、固體多耦合問題。其中，主要影響因素包括:(1)燃氣的流動特徵;(2)燃氣的高溫離解;(3)燃燒特性;(4)冷卻劑的流動與換熱特性;(5)冷卻劑的高溫熱物理特性;(6)冷卻通道的幾何結構。因此,從數值計算的角度來看，進行全耦合的流動與傳熱計算，模擬上面提到的6種過程將是非常複雜的，並且需要大規模計算能力。目前，關於碳氫燃料主動冷卻系統的多維、全耦合計算的相關研究很少。因此，為了配合工程設計需要，仲峰泉等基於煤油的超聲速燃燒實驗以及超臨界態煤油傳熱實驗，結合了用於研究氣體高溫離解作用的NASA CEA軟體包和用於研究碳氫化合物高溫熱物理特性的NISTSupertrapp資料庫，提出了流/固耦合的一維傳熱分析。該分析包括了上面提到的6個因素，可以對不同燃燒狀態和冷卻條件下煤油的主動冷卻過程進行分析，給出熱壁、冷壁和冷卻劑溫度的變化，以及壁面熱流分布，為冷卻結構設計提供參考數據。
一體化熱防護結構傳熱分析
高超聲速飛行器己逐漸成為各國航空航天領域發展的重要方向，高超聲速飛行器的氣動加熱問題是限制其發展的一個重要問題，被稱為“熱障”，熱防護系統對高超聲速飛行器至關重要。高超聲速飛行器的熱防護系統的主要作用，是在高超聲速氣動熱力的環境卜保證飛行器內部結構的溫度維持在一定的範圍內，確保結構的安全，熱防護系統的研究對高超聲速飛行器的發展和套用具有重大意義。
常見的熱防護系統有以下幾種形式:吸熱式熱防護系統、傳質換熱防護系統、燒蝕熱防護系統、輻射熱防護系統等。根據防熱方式進行分類，熱防護系統可以分為被動熱防護系統、半主動熱防護系統和主動熱防護系統三類。被動熱防護結構主要包括剛性陶瓷隔熱瓦、柔性陶瓷纖維隔熱氈、金屬熱防護系統和一體化熱防護系統等。一體化熱防護系統是一種新型的集防熱結構與承載結構於一體的熱防護結構形式，不僅能夠完成防熱隔熱功能，而且能夠承受氣動載荷和結構載荷，其結構形式簡單且結構效率高，能夠有效降低飛行器的重量，是一種極具發展前景的熱防護形式。
對一體化熱防護結構進行傳熱分析，準確地模擬傳熱過程，並分析結構的防熱特性能夠有效的指導一體化熱防護結構的設計。張棲誠使用Abaqus有限元分析軟體對建立一體化熱防護結構的傳熱分析有限元模型，並進一步研究結構的防熱特性，為結構設計提供依據。
熱防護結構的傳熱過程是一個瞬態傳熱過程，結構的溫度場隨時間不斷變化。使用Abaqus對結構進行瞬態傳熱分析，可以得到結構在不同時刻的溫度場。結構溫度梯度最大時刻的溫度分布如圖1所示，可以看出溫度梯度主要存在於豎直方向，水平方向上的溫度差距很小，結構的熱量傳遞主要是沿著由上至下的方向傳遞。
圖1：最大溫度梯度時刻結構溫度分布
