氣動(dòng)加熱
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
氣動(dòng)加熱的實(shí)例教程
高速飛行器鼻錐
/天線罩面臨著強(qiáng)烈的氣動(dòng)生熱環(huán)境，需要一種抗氧化
/燒蝕的耐高溫材料制備部件。碳化硅、硼化鋯以及硅硼碳氮（非透波體系）和氮化硅、氮化硼（透波體系）等先進(jìn)陶瓷材料可作為其備選材料。除了需要考慮外邊緣選材外，對(duì)部件的熱控制也是需要考慮的重要因素，因此需要對(duì)部件的熱
-力狀態(tài)進(jìn)行分析。計(jì)算流體力學(xué)
(CFD)是用于計(jì)算飛行器氣動(dòng)加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動(dòng)加熱計(jì)算過程，后續(xù)可能將學(xué)習(xí)
/介紹流體
-固體耦合作用，為可能的工程設(shè)計(jì)提供參考。
本文首先簡(jiǎn)
單介紹他國(guó)學(xué)者發(fā)表在《美陶》上的一篇文章，該文章是通過
CFD
計(jì)算了超高溫陶瓷
ZrB2-SiC
熱防護(hù)系統(tǒng)的熱
-
力設(shè)計(jì)。本文作為初步的學(xué)習(xí)嘗試，并不會(huì)直接完全復(fù)現(xiàn)其結(jié)果，主要是介紹思路。
本文所采用的計(jì)算軟件為
Ansys workbench，在
workbench中已經(jīng)集成了流體力學(xué)軟件
Fluent。接下來讓我們一起來學(xué)習(xí)一下基本操作。以下是我建立的一個(gè)三維模型，但是由于個(gè)人筆記本電腦算力不足，作為學(xué)習(xí)，我采用簡(jiǎn)化的二維模型進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下圖所示。
（1）首先是建立模型，拖拽geometry模塊進(jìn)入操作界面即可建模，模型建立可以通過軟件自帶的Design model模塊，或者其他建模軟件，如solidworks等。主要原則是建立一個(gè)為大流場(chǎng)所包圍的固體模型，這里不詳細(xì)介紹。一般認(rèn)為所建立的流場(chǎng)尺寸大于固體模型尺寸的20倍，由于計(jì)算量的關(guān)系，本文所采用的模型較小。
（2）在建立模型后，將模型與Fluent模塊連接，即將模型導(dǎo)入fluent計(jì)算模塊，接下來點(diǎn)擊mesh，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，需要注意的地方是在流體-固體壁面需要設(shè)置層流邊界層，具體設(shè)置和劃分結(jié)果如下圖所示。
展開 “氣動(dòng)加熱”，簡(jiǎn)單解釋是固體在氣體中高速運(yùn)動(dòng)壓縮氣體后被加熱。說到氣動(dòng)加熱，先看看這個(gè)，熟悉嗎？初中物理的空氣壓縮引火試驗(yàn)。
封閉空間，內(nèi)部就是常規(guī)的空氣，向內(nèi)移動(dòng)活塞，壓縮空氣，對(duì)其做功，空氣內(nèi)能增加，溫度升高，棉花被點(diǎn)燃。
總結(jié)一下，就是壓縮氣體會(huì)使其溫度升高。但你可能會(huì)想，這和氣動(dòng)加熱
有什么關(guān)系啊？氣動(dòng)加熱是高速物體在敞開空間中運(yùn)動(dòng)，而這是低速活塞壓縮密閉空間。但你把思路打開，先把密閉空間變敞開，活塞向前，空氣會(huì)跑，肯定不會(huì)被壓縮對(duì)吧，這是因?yàn)閴毫Σ〞?huì)通知前方空氣，讓其為活塞讓路。但壓力波傳播速度是聲速，如果活塞運(yùn)動(dòng)的速度接近甚至超過聲速呢，壓力波根本就來不及通知前方空氣。所以，空氣分子就都擠在一起，就這樣在開放的空間被壓縮了，進(jìn)而空氣溫度升高，溫度計(jì)算公式是這樣的，飛行器你可以理解成就是個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的活塞。
按照這公式，以音速運(yùn)動(dòng)，也就是1馬赫，被壓縮的空氣溫度將變?yōu)樵瓉淼?.2倍。5
而高溫空氣再通過輻射，將熱量傳給飛行器。飛船返回艙穿過大氣層時(shí)，速度能達(dá)到8km/s。即便粗略按地表音速算，也達(dá)到了23個(gè)馬赫。飛行器前方迎風(fēng)面能達(dá)到2000度也就可以理解了。
氣動(dòng)壓縮離不開高速運(yùn)動(dòng)，常見的就是在航天領(lǐng)域，但帶來的卻是負(fù)面影響，增加了航天器回收的難度。
但是，氣動(dòng)加熱也有點(diǎn)兒好的方面，而且很浪漫。夜晚，望向星空，發(fā)現(xiàn)顆顆流星劃過，戀人們雙手合十虔誠(chéng)許愿。
而我，只希望氣動(dòng)加熱一定要給力，趁落地前把隕石燒干凈，千萬別砸到我。好了，本期就到這了~下期見！拜拜~
展開 1問題\需求描述及重要性論述
高超聲速飛行器在飛行過程中面臨十分嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱，特別是頭部駐點(diǎn)處，為了保證飛行器的性能，通常在其引導(dǎo)頭處使用逆向噴流鈍體熱防護(hù)罩的方法，如圖1所示。流場(chǎng)中逆向噴流射出后先形成一個(gè)馬赫盤，從而平衡了噴流的壓力與弓形激波后的來流壓力。之后噴流與來流相遇形成接觸面。逆向噴流受到來流的阻擋而產(chǎn)生回流，重新附于物面，從而形成回流區(qū)；而來流由于噴流的阻擋則向周邊流去，于是在噴流層的回流再附點(diǎn)處形成再壓縮激波。 由于自由來流不直接撞擊物面，從而再附點(diǎn)遠(yuǎn)離頂點(diǎn)，減少了氣動(dòng)加熱；同時(shí)駐點(diǎn)區(qū)處于逆向噴流形成的回流區(qū)之中，于是駐點(diǎn)區(qū)附近的物面接觸的氣體溫偏低，因此逆向噴流熱防護(hù)方法能對(duì)嚴(yán)重加熱的駐點(diǎn)區(qū)起到很好的防熱效果。
圖1 鈍體熱防護(hù)罩反向噴射示意圖
2技術(shù)難點(diǎn)
國(guó)內(nèi)在20世紀(jì)90年代末開始氣動(dòng)熱光學(xué)效應(yīng)預(yù)估仿真和校正技術(shù)的研究，起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定的差距，雖然經(jīng)過近些年的努力，針對(duì)高速飛行器的發(fā)展需求進(jìn)行了高速流場(chǎng)計(jì)算方法、光學(xué)傳輸效應(yīng)、氣動(dòng)熱防護(hù)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等一些列研究。但如何快速高效的針對(duì)高速飛行器的噴流鈍體熱防護(hù)罩進(jìn)行準(zhǔn)確的氣動(dòng)熱估算和合適的熱防護(hù)設(shè)計(jì)仍然存在諸多難點(diǎn)。本文將基于FloEFD采用高馬赫數(shù)流動(dòng)求解器，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，估算鈍體熱防護(hù)罩的防護(hù)效果。
3案例介紹
以具有反向噴流的半球體為研究對(duì)象，如圖2所示，取半球直徑為50mm，前緣開孔直徑為4mm。計(jì)算采用軸對(duì)稱方式，網(wǎng)格采用沿壁面前緣設(shè)置細(xì)網(wǎng)格，且著重在頭部敏感區(qū)域進(jìn)行細(xì)密的網(wǎng)格劃分，并在計(jì)算過程中進(jìn)行一次自適應(yīng)網(wǎng)格加密。
展開 即單位時(shí)間內(nèi)消耗的固體材料取決于化學(xué)反應(yīng)速率，Arrhenius方程：
具體看以下案例，材料四周受到了不同的氣動(dòng)加熱，材料中心固定約束。
燒蝕主程序有以下主要內(nèi)容：
① ULOCAL(NDIM)=ULOCAL(NDIM)-A*CPRESS*exp(E/(R*ARRAY(1))) ② IF(LNODETYPE .EQ. 4)ULOCAL(NDIM)=ULOCAL(NDIM)*0.01 ③IF(LNODETYPE .EQ. 3)ULOCAL(NDIM)=ULOCAL(NDIM)- * A*CPRESS*exp(E/(R*ARRAY(1)))
第一句為材料的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)燒蝕量，也就是已知環(huán)境壓力、材料節(jié)點(diǎn)溫度，活化能等，通過Arrhenius方程計(jì)算得到的燒蝕量；
第二句，其中LNODETYPE.EQ. 4 表為材料邊界上節(jié)點(diǎn)的燒蝕量，及其對(duì)應(yīng)的燒蝕量，如圖2中2處所示；
第三句，其中LNODETYPE.EQ. 3 表示邊界與邊界相交的拐角處節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的燒蝕量，如圖2中1處所示。具體可以查看幫助文檔的說明。
也許伙伴們會(huì)有疑問，為何還要單獨(dú)對(duì)邊界和拐角處計(jì)算燒蝕量，個(gè)人認(rèn)為兩個(gè)邊界共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果不單獨(dú)設(shè)置，會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格極度變形，導(dǎo)致計(jì)算失敗。更何況，實(shí)際上不同的邊界承受不同的氣動(dòng)加熱，在拐角處可能會(huì)出現(xiàn)“轉(zhuǎn)戾區(qū)”，材料受到的溫度會(huì)與邊界的不一樣。在這個(gè)案例中，我嘗試了很多次不同設(shè)置，都因網(wǎng)格變形嚴(yán)重，導(dǎo)致計(jì)算失敗。如果存在其他原因，歡迎補(bǔ)充，謝謝。
展開 它采用了多種網(wǎng)格技術(shù)，如結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、嵌套網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，將基于密度的可壓縮歐拉方程和N-S 方程同剛體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)、有限速率化學(xué)反應(yīng)和非平衡傳熱學(xué)耦合起來，解決一系列極為復(fù)雜的航空航天氣動(dòng)問題，可以模擬絕大多數(shù)復(fù)雜的航空航天中涉及的各種問題，比如飛行器流場(chǎng)分析，氣動(dòng)加熱，機(jī)動(dòng)和級(jí)間分離，飛行器飛行動(dòng)力學(xué)及所載各種彈體的發(fā)射過程研究。
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氣動(dòng)加熱的最新內(nèi)容
然而，其各向異性特性在高溫環(huán)境（如氣動(dòng)加熱、發(fā)動(dòng)機(jī)熱載荷、太空極端溫度循環(huán)）下帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：熱膨脹不協(xié)調(diào)、熱應(yīng)力集中、層間失效風(fēng)險(xiǎn)陡增。
傳統(tǒng)分析方法難以精確模擬此類材料復(fù)雜的各向異性熱傳導(dǎo)和非線性熱力耦合行為，往往導(dǎo)致設(shè)計(jì)過度保守、試驗(yàn)成本高昂且失效風(fēng)險(xiǎn)難以有效控制。因此，如何精準(zhǔn)預(yù)測(cè)復(fù)合材料在熱載荷作用下的變形與應(yīng)力分布，成為提升其可靠性的核心難題。
“氣動(dòng)加熱”，簡(jiǎn)單解釋是固體在氣體中高速運(yùn)動(dòng)壓縮氣體后被加熱。說到氣動(dòng)加熱，先看看這個(gè)，熟悉嗎？初中物理的空氣壓縮引火試驗(yàn)。
封閉空間，內(nèi)部就是常規(guī)的空氣，向內(nèi)移動(dòng)活塞，壓縮空氣，對(duì)其做功，空氣內(nèi)能增加，溫度升高，棉花被點(diǎn)燃。
總結(jié)一下，就是壓縮氣體會(huì)使其溫度升高。但你可能會(huì)想，這和氣動(dòng)加熱
有什么關(guān)系啊？氣動(dòng)加熱是高速物體在敞開空間中運(yùn)動(dòng)，而這是低速活塞壓縮密閉空間。
使用軟件：PERA SIM ProNas
圖10 整船能量有限元模型及結(jié)構(gòu)載荷、噪聲載荷模型
圖11 結(jié)構(gòu)速度響應(yīng)云圖、聲腔響應(yīng)云圖
表1 個(gè)別艙室仿真-測(cè)試結(jié)果對(duì)比
2.6整流罩振動(dòng)噪聲分析
衛(wèi)星整流罩是運(yùn)載火箭的重要組成部分，當(dāng)運(yùn)載火箭在大氣中飛行時(shí)，可用于保護(hù)衛(wèi)星及其它有效載荷，防止衛(wèi)星受氣動(dòng)力，氣動(dòng)加熱及聲振等有害環(huán)境的影響
計(jì)算流體力學(xué)
(CFD)是用于計(jì)算飛行器氣動(dòng)加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動(dòng)加熱計(jì)算過程，后續(xù)可能將學(xué)習(xí)
/介紹流體
-固體耦合作用，為可能的工程設(shè)計(jì)提供參考。
本文首先簡(jiǎn)
單介紹他國(guó)學(xué)者發(fā)表在《美陶》上的一篇文章，該文章是通過
CFD
計(jì)算了超高溫陶瓷
ZrB2-SiC
熱防護(hù)系統(tǒng)的熱
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力設(shè)計(jì)。
PART.4
結(jié)論
飛行器在飛行過程中，可能會(huì)受到多重極端的氣動(dòng)加熱效應(yīng)，引起飛行器結(jié)構(gòu)的熱物理參數(shù)和力學(xué)性能的變化，造成結(jié)構(gòu)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的衰減
因此，在保證飛行器氣動(dòng)力、總體裝載需求的情況下，研究飛行器在不同流場(chǎng)中的氣動(dòng)加熱機(jī)理、合理優(yōu)化飛行器外形、尋找新型減阻防熱材料是寬速域飛行器設(shè)計(jì)的重要研究方向。
1 制冷劑霧化節(jié)流特性的數(shù)值模擬
工質(zhì)霧化的機(jī)制在于噴射表面波的發(fā)展和氣體的擾動(dòng)作用，分初級(jí)（一次）霧化和次級(jí)（二次）霧化，一次霧化為連續(xù)射流液體表面開始形成液滴與液絲的過程，是控制液體向氣體的初始彌散；二次霧化則為受加熱或氣動(dòng)力作用發(fā)生在彌散液滴和液絲上的霧化[9-11]。
即單位時(shí)間內(nèi)消耗的固體材料取決于化學(xué)反應(yīng)速率，Arrhenius方程：
具體看以下案例，材料四周受到了不同的氣動(dòng)加熱，材料中心固定約束。
發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)庖约疤?yáng)輻照導(dǎo)致航空器處于高溫環(huán)境，隨著飛行速度提高，氣動(dòng)加熱效應(yīng)凸顯，產(chǎn)生“熱障”。此外，還要經(jīng)受交變溫度，在同溫層以亞音速飛行時(shí)，表面溫度會(huì)降到-50℃左右，極圈以內(nèi)地域的嚴(yán)冬環(huán)境溫度會(huì)低于-40℃，金屬構(gòu)件或橡膠輪胎容易產(chǎn)生脆化現(xiàn)象。
降低紅外輻射也是飛機(jī)隱身的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口由于溫度遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度，容易被紅外探測(cè)器捕捉到，當(dāng)飛機(jī)超音速飛行時(shí)，機(jī)體表面產(chǎn)生的氣動(dòng)加熱帶來的紅外輻射也成為不可忽視的輻射源。
例如電視劇《我是特種兵》中吳京通過把自己全身涂滿黑泥從而降低自身溫度成功地躲避了敵人的紅外探測(cè)。
