稀薄效应下缝隙热环境及其加热机理研究

Hypersonic cavity flow is important for cavity thermal protection, and that may result in heat transfer rate increasing about several times. So elaborate design of thermal protection system for hypersonic vehicles must forecast cavity flow characteristics and thermal distribution, accurately. Cavity size and pressure gradient influence greatly local aero-heating, which can be given such that cavity vortex evolve gradually from single vortex structure to double vortex structure as increasing cavity size, and that will induce different thermal distribution on the surface of cavity. On the other hand, for the short(open) cavity geometries, pressure gradient was found to have minimal effect, and for the long(closed) cavity geometries, pressure gradient increase the average heating augmentation factor by 50% on average above the zero gradient conditions. That phenomenon is important for design of hypersonic vehicles flying near space. For investigating cavity flow mechanism with rarefaction of future hypersonic vehicles, both theory and numerical method correspond to rarefaction intensity can be used to study cavity size and pressure gradient effects on thermal distribution and heating mechanism of rarefied hypersonic cavity flow.

高超声速飞行器缝隙流动对局部缝隙热防护产生重要影响，导致局部缝隙热流数倍升高，因而，高超声速飞行器气动防热的精确设计需要准确预测缝隙流动特性及其热环境分布。缝隙尺度与压力梯度对高超声速飞行器局部缝隙热环境有非常大的影响：缝隙尺度对缝隙流动的影响存在涡结构演变现象，即随着缝隙长深比的增加，缝隙流动从单涡结构逐渐过渡至双涡结构，这种涡结构的演变直接导致热环境分布存在巨大差异；在连续流区压力梯度效应的认识中，对于短的开式缝隙，压力梯度对缝隙肩部影响较小，对于长的闭式缝隙，和零压力梯度条件下热流相比，压力梯度的存在可使热流增加约50%。这一现象对于新一代高空高超声速飞行器局部热防护设计尤为重要。采用理论分析和数值模拟相结合的研究手段，针对高空飞行的近空间高超声速飞行器稀薄效应下的缝隙流动现象开展基础研究，探讨稀薄环境下缝隙尺度、压力梯度等对高超声速缝隙流动及热环境分布的影响机理。

高超声速飞行器缝隙流动对局部缝隙热防护产生重要影响，其防热的精确设计需要准确预测缝隙流动特性及其热环境分布。缝隙尺度、稀薄度与压力梯度等对高超声速飞行器局部缝隙热环境有非常大的影响。.本项目主要探讨稀薄环境下缝隙尺度、压力梯度等对高超声速缝隙流动及热环境分布的影响机理，为新一代高空近空间高超声速飞行器设计提供理论基础。主要研究结果如下：.1）针对缝隙问题的局部流动特征，基于对分子碰撞特征的机理认识，引入了最小二乘法及亚松弛的思想，突破了非结构四面体粗网格下碰撞概率的修正难题，建立了一种大尺度网格下分子仿真碰撞概率的修正方法，有效提高了粒子仿真方法的模拟精度。.2）通过对不同稀薄度下缝隙流动特征及加热机理的计算分析，建立了基于局部稀薄度的缝隙干扰热流与无干扰热流的气动热关联式，该关联式可对局部缝隙干扰下的峰值热流进行快速评估，该方法已服务于我国新一代战略弹头高空飞行弹道全弹缝隙干扰下的气动加热数据分析。.3）获得了稀薄效应下缝隙流动结构的演化规律，发现稀薄效应下缝隙流动结构与连续流区存在明显不同，开、闭式缝隙的临界准则发生改变，稀薄效应下宽深比的临界值约为4。当宽深比约小于0.67时，临界深度小于缝隙深度且随宽深比增大而迅速增大；此外，还发现稀薄度与三维效应都将使得涡心上移, 并且稀薄度越大，三维效应越强，表现为主涡涡心上移更明显，表面热流的三维结果与二维结果的差异变大。.4）压力梯度通过控制流动在缝隙入口处的分离和在出口处的再附，从而对缝隙内部的流场结构和密度分布产生明显的影响，顺压梯度阻碍流动在缝隙处分离和再附，较大的顺压梯度有利于主流进入缝隙内部。与连续流中闭式缝隙的实验研究一致，流向顺压梯度促进来流与缝隙内部的能量交换，同时，随着顺压梯度的减小，其热流分布由近似左右对称分布逐渐变为从左往右单调递增分布。