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        防熱環(huán)對空氣舵舵軸流動(dòng)及氣動(dòng)加熱影響

        2022-08-11 10:26:22劉宇飛劉國仟
        氣體物理 2022年4期
        關(guān)鍵詞:流態(tài)熱流縫隙

        聶 亮,李 宇,劉宇飛,袁 野,劉國仟,周 禹

        (中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100076)

        引 言

        對于高速飛行器,地面試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算均表明舵軸是受熱最嚴(yán)酷的部位之一[1-3],嚴(yán)重時(shí)會(huì)使舵軸超溫或者燒蝕(見圖1);同時(shí)作為重要的傳力部件還要承受較大的力矩載荷,這使得舵軸的耐溫設(shè)計(jì)要求極為苛刻[4]。

        圖1 試驗(yàn)后的舵軸形貌Fig.1 Morphology of rudder after experiment

        空氣舵及其縫隙的熱環(huán)境十分復(fù)雜[5],早期受制于研究手段,國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)較少[6-8];近些年來隨著計(jì)算仿真水平和試驗(yàn)?zāi)芰Φ倪M(jìn)步,關(guān)于空氣舵舵縫及舵軸的研究[2-3,9]才逐漸增多并成為熱點(diǎn)。

        為減小空氣舵舵軸的防隔熱設(shè)計(jì)壓力,可從提高空氣舵舵軸材料性能、增大舵軸尺寸或采用主動(dòng)防熱手段[10-11]考慮,但這種方法往往受諸多因素制約,總體方案難以滿足;也可以從優(yōu)化舵軸熱環(huán)境考慮,該方法思路是通過控制空氣舵縫隙內(nèi)流動(dòng),避免舵軸直接和來流“撞擊”,從而降低舵軸熱環(huán)境。第2種思路最典型的做法就是在空氣舵前增加整流帽[12],其能夠在特定飛行狀態(tài)下明顯減小舵軸熱環(huán)境,但由于整流帽和空氣舵之間距離較遠(yuǎn),當(dāng)空氣舵擺動(dòng)舵偏較大或者飛行攻角較大時(shí),其對流動(dòng)的阻擋作用減弱,舵軸熱流減小則相對不明顯。

        基于此,為減小舵軸的防熱壓力,本文受整流帽對舵軸保護(hù)方式的啟發(fā),從流動(dòng)機(jī)理分析,通過在舵軸周圍近距離設(shè)計(jì)防熱環(huán),“貼身”保護(hù)舵軸,并在空氣舵相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)位置配合設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)溝槽(見圖2),將舵軸的高熱流區(qū)轉(zhuǎn)移到防熱環(huán),大幅減小舵軸的氣動(dòng)熱載荷。從而實(shí)現(xiàn)舵軸承力不承熱,防熱環(huán)承熱不承力,有效實(shí)現(xiàn)舵軸承力功能和防熱環(huán)承熱功能的分離。本文從仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面對防熱環(huán)降低舵軸熱流效果的有效性進(jìn)行介紹。

        圖2 舵軸防熱環(huán)結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure of rudder thermal-protection ring

        1 計(jì)算方法和狀態(tài)

        1.1 計(jì)算方法

        本文涉及的氣動(dòng)熱環(huán)境采用有限體積法求解積分形式的三維可壓N-S方程[13-14],氣體模型為完全氣體??刂品匠虨?/p>

        1.2 計(jì)算狀態(tài)

        計(jì)算外形為圓錐-“×”型全動(dòng)空氣舵外形,空氣舵與艙體之間的縫隙高度為3 mm。計(jì)算狀態(tài)如表1所示,來流氣體為空氣,壁溫為300 K等溫壁。

        表1 計(jì)算狀態(tài)Table 1 Calculation conditions

        2 防熱環(huán)的流動(dòng)及熱環(huán)境規(guī)律

        全動(dòng)空氣舵及其干擾區(qū)熱流分布特點(diǎn)如圖1和圖3所示,可以看出,空氣舵區(qū)域熱流分布復(fù)雜,其中舵軸是空氣舵氣動(dòng)加熱最嚴(yán)酷的區(qū)域。因此,對于舵軸來說,防熱設(shè)計(jì)壓力巨大。

        圖3 空氣舵熱流密度分布示意圖Fig.3 Heat-flux distribution of rudder

        根據(jù)上文思路,在舵軸周圍設(shè)置一圈防熱環(huán),開展了不同因素下防熱環(huán)方案的氣動(dòng)熱評(píng)估。

        2.1 有無防熱環(huán)的影響規(guī)律

        2.1.1 舵軸熱流的影響

        圖4給出了有無防熱環(huán)情況下舵軸和防熱環(huán)熱流的對比,可以看出,增加防熱環(huán)后舵軸熱流明顯降低,層流狀態(tài)的舵軸干擾區(qū)熱流峰值由不帶防熱環(huán)的約1.8 MW/m2降至帶防熱環(huán)的約0.2 MW/m2;湍流狀態(tài)的舵軸干擾區(qū)熱流峰值由不帶防熱環(huán)的約2.4 MW/m2降至帶防熱環(huán)的約0.8 MW/m2;原舵軸區(qū)域的高熱流前移至防熱環(huán),縫隙內(nèi)防熱環(huán)的熱流和原舵軸熱流接近但略低。

        空氣舵與艙體間縫隙內(nèi)外防熱環(huán)熱流差異的分析如圖5所示,可以看出,縫隙外防熱環(huán)由于前方空氣直接“撞擊”在防熱環(huán)上,形成高熱流區(qū);而縫隙內(nèi)防熱環(huán)由于前方受舵縫隙的影響,進(jìn)入縫隙內(nèi)的氣體速度和溫度都相對較低,因而熱流相對縫隙外防熱環(huán)要低。

        (a) Case with thermal-protection ring,laminar

        2.1.2 縫隙內(nèi)流動(dòng)的影響

        增加防熱環(huán)后,受防熱環(huán)的阻擋作用,舵軸前縫隙內(nèi)的速度和壓力均有一定程度的降低,從而減小舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙熱密封的壓力。

        以工況3為例,將圖6中舵軸及防熱環(huán)所在位置沿舵對稱截面方向截取舵軸縫隙內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行分析,不帶防熱環(huán)舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙內(nèi)的速度為250~300 m/s(見圖7(a)),增加防熱環(huán)后舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙內(nèi)的速度降為150~200 m/s(見圖7(b));不帶防熱環(huán)舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙內(nèi)的氣體壓力約為 30 kPa,增加防熱環(huán)后舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙內(nèi)的壓力降為約10 kPa(見圖8)。舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙內(nèi)熱流的降低、流動(dòng)速度的降低及氣體壓力的降低,能夠有效增加動(dòng)熱密封方案設(shè)計(jì)的可靠性。

        圖6 舵軸及防熱環(huán)位置示意Fig.6 Positions of rudder and thermal-protection ring

        (a) Case without thermal-protection ring

        (a) Case without thermal-protection ring

        2.2 舵偏影響規(guī)律

        圖9給出了不帶防熱環(huán)情況下不同舵偏舵軸干擾區(qū)熱流的分布對比情況,可以看出,對于舵軸干擾區(qū),隨著舵偏的變化,舵軸干擾區(qū)的高熱流部位位置也隨之變化;負(fù)舵偏時(shí),舵軸高熱流區(qū)域位于舵軸靠背風(fēng)大面積一側(cè),正舵偏時(shí),舵軸高熱流區(qū)域向舵軸靠迎風(fēng)大面積一側(cè)移動(dòng),舵軸干擾區(qū)熱流峰值隨著舵往正向偏轉(zhuǎn)而增加。

        (a) Case of -5° rudder deflection

        圖10給出了帶防熱環(huán)情況下防熱環(huán)及舵軸區(qū)域不同舵偏的熱流對比,可以看出,帶防熱環(huán)后舵軸高熱流區(qū)域往縫隙內(nèi)防熱環(huán)位置處移動(dòng),而舵軸受防熱環(huán)的遮擋熱流明顯下降;和不帶防熱環(huán)情況類似,負(fù)舵偏時(shí)防熱環(huán)熱流相對較小,并且在負(fù)舵偏情況下空氣舵對縫隙外的防熱環(huán)前方流動(dòng)形成一定的阻擋作用,可以有效降低縫隙外防熱環(huán)的熱流。

        通過不同舵偏情況下帶防熱環(huán)和不帶防熱環(huán)舵軸熱流結(jié)果的對比可以得出,防熱環(huán)舵軸降熱方案對不同舵偏的適應(yīng)效果均較好。

        (a) Case of -5° rudder deflection

        2.3 流態(tài)影響規(guī)律

        圖11給出了不同流態(tài)情況下舵軸及防熱環(huán)附近區(qū)域的熱流分布對比,可以看出,有防熱環(huán)情況下,舵軸熱流較低,層流流態(tài)下舵軸熱流大于湍流流態(tài);對于防熱環(huán),縫隙內(nèi)的防熱環(huán)熱流湍流流態(tài)明顯低于層流流態(tài),而縫隙外的防熱環(huán)熱流差別相對較小,湍流熱流略高于層流熱流,具體量值規(guī)律可能隨狀態(tài)的變化略有差別??p隙內(nèi)不同流態(tài)防熱環(huán)熱流的差別分析可參見文獻(xiàn)[15]中的相關(guān)分析。

        (a) Laminar result

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        針對上文分析的舵軸防熱環(huán)能夠?qū)⒍孑S的高熱流區(qū)轉(zhuǎn)移到防熱環(huán),降低舵軸熱流,從而有效實(shí)現(xiàn)舵軸承力功能和防熱環(huán)承熱功能的分離,大大降低舵軸的防熱設(shè)計(jì)壓力。本節(jié)給出了試驗(yàn)驗(yàn)證情況,試驗(yàn)狀態(tài)以駐點(diǎn)熱流為參考熱流,簡化為表2的4個(gè)臺(tái)階狀態(tài),試驗(yàn)總時(shí)間195 s。

        表2 試驗(yàn)狀態(tài)Table 2 Experiment conditions

        圖12給出了長時(shí)間高溫來流狀態(tài)試驗(yàn)后空氣舵及防熱環(huán)情況,可以看出,經(jīng)過長時(shí)間氣動(dòng)加熱,空氣舵舵軸依然能正常工作,未出現(xiàn)高溫情況;防熱環(huán)金屬表面顏色加深,說明其在試驗(yàn)過程中經(jīng)歷高溫加熱,但未損壞;防熱環(huán)顏色加深的區(qū)域和預(yù)示的防熱環(huán)高熱流區(qū)域一致,表明了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

        圖12 防熱環(huán)試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果對比Fig.12 Experiment result and simulation result

        4 結(jié)論

        本文通過對舵軸防熱環(huán)縫隙流動(dòng)及其氣動(dòng)加熱影響規(guī)律的分析,得到以下結(jié)論:

        (1)提出了一種在舵軸附近“貼身”設(shè)置防熱環(huán)的方案,數(shù)值仿真結(jié)果表明該方案能夠明顯降低空氣舵舵軸區(qū)域熱環(huán)境,對飛行工況具有廣泛適應(yīng)性;

        (2)防熱環(huán)的降熱機(jī)理是通過對縫隙內(nèi)高溫高速氣流提前阻擋,將高能氣流滯止于防熱環(huán)上,將舵軸高熱流區(qū)向防熱環(huán)轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)防熱環(huán)的降熱;

        (3)通過試驗(yàn)驗(yàn)證,證明了防熱環(huán)方案的有效性,實(shí)現(xiàn)了舵軸承力功能和防熱環(huán)承熱功能的有效分離,增加了舵軸防隔熱設(shè)計(jì)和承載設(shè)計(jì)的可靠性;

        (4)通過防熱環(huán)對氣流的阻擋,舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)縫隙區(qū)域的氣流速度、壓強(qiáng)和熱流均明顯降低,有利于降低舵軸轉(zhuǎn)動(dòng)熱密封方案的設(shè)計(jì)難度。

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