高超声速飞行器复杂传热分析与多场耦合策略研究

本项目针对流场／结构温度场的强耦合问题和复杂传热过程，充分考虑了气动、结构、飞行轨道等相互影响和耦合作用，提供复杂传热分析方法和多场耦合策略，对于提高防热性能具有一定的工程价值。研究内容包括（1）探索飞行器热防护系统气动／结构强耦合和复杂传热过程的物理机制，建立具有典型几何特征和热物理特征的热分析模型；（2）结合耦合物理机制和相应耦合策略集成耦合性热分析方法，进行结构时域热分析研究TPS温度、热流率以及热边界条件随时间的动态耦合特性，确定多场耦合物理机制和相应耦合准则。本项目研究成果将为热防护系统设计思想和设计方法注入新的元素，对于成功研制适应未来高技术战争的高超声速飞机、导弹等远程机动武器具有现实意义和应用前景。

新一代高超声速飞行器面临着复杂流场、高焓、中低热流和持续长时间气动加热的热环境，由此而引发其研制中迫切需要解决的热防护和热气动弹性等关键问题，这些关键问题的妥善合理解决涉及流场、热、结构多物理场之间的耦合问题研究。.本项目（1）对高超声速飞行器多场耦合问题进行了高度总结和分类，形成了流场-热耦合问题建模与分析、流场-热-结构耦合问题建模与分析和基于多场耦合的结构热模态分析等不同物理问题的研究体系。（2）着重于完善流场计算的物理化学模型和热环境分析方法，如高温气体效应模型、湍流/化学反应耦合模型、激波捕捉高效算法、近壁热流分析方法、多场耦合数据传递等，并建立了相应的光学测量技术对典型流动结构进行了对比验证，形成了合理、可靠的流场分析方法和热分析方法。.主要研究成果包括：（1）形成了1套适用于高超声速飞行器多场耦合问题分析的计算软件-HyCCD (Hypersonic Coupling Computational Dynamics)，具有流场-热-结构耦合为核心的气动热、热气动弹性等问题的数值求解能力；（2）形成了1套适用于高超声速流动分析的计算软件-HyCFD (Hypersonic Computational Fluid Dynamics)，具有高速湍流流动/化学反应的数值求解能力；（3）形成了1套适用于高速流动诊断的PIV（Particle Imaging Velocimetry）系统，国内首次实现了M=7的流动测量能力。在国内外期刊发表论文15篇，其中SCI收录1篇，EI收录2篇，会议论文5篇。培养硕士研究生4名和博士研究生2名。.本项目研究的多场耦合现象涉及到复杂的流动现象、物理化学模型和传热过程，通过系统的物理化学建模和分析方法研究，在耦合策略、物理建模、数值分析和试验验证等方面积累了相当丰富的经验，有助于更为精细地预测防热结构多物理场间的复杂耦合特征，将为飞行器防热材料的极限能力预测、防热结构的完全评估提供有效工具，为解决湍流/化学反应相互作用下的质量输运、动量输运和能量输运等因素综合作用问题提供技术支撑。