氣動加熱的案例
Ansys學習之飛行器氣動加熱（1）
高速飛行器鼻錐
/天線罩面臨著強烈的氣動生熱環境，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，對部件的熱控制也是需要考慮的重要因素，因此需要對部件的熱
-力狀態進行分析。計算流體力學
(CFD)是用于計算飛行器氣動加熱的重要工具，本文將初步介紹飛行器氣動加熱計算過程，后續可能將學習
/介紹流體
-固體耦合作用，為可能的工程設計提供參考。
本文首先簡
單介紹他國學者發表在《美陶》上的一篇文章，該文章是通過
CFD
計算了超高溫陶瓷
ZrB2-SiC
熱防護系統的熱
-
力設計。本文作為初步的學習嘗試，并不會直接完全復現其結果，主要是介紹思路。
本文所采用的計算軟件為
Ansys workbench，在
workbench中已經集成了流體力學軟件
Fluent。接下來讓我們一起來學習一下基本操作。以下是我建立的一個三維模型，但是由于個人筆記本電腦算力不足，作為學習，我采用簡化的二維模型進行了計算，計算結果如下圖所示。
（1）首先是建立模型，拖拽geometry模塊進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為大流場所包圍的固體模型，這里不詳細介紹。一般認為所建立的流場尺寸大于固體模型尺寸的20倍，由于計算量的關系，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，即將模型導入fluent計算模塊，接下來點擊mesh，對模型進行網格劃分，需要注意的地方是在流體-固體壁面需要設置層流邊界層，具體設置和劃分結果如下圖所示。
展開 大氣層中的火球，真是空氣摩擦導致的嗎？
“氣動加熱”，簡單解釋是固體在氣體中高速運動壓縮氣體后被加熱。說到氣動加熱，先看看這個，熟悉嗎？初中物理的空氣壓縮引火試驗。
封閉空間，內部就是常規的空氣，向內移動活塞，壓縮空氣，對其做功，空氣內能增加，溫度升高，棉花被點燃。
總結一下，就是壓縮氣體會使其溫度升高。但你可能會想，這和氣動加熱
有什么關系啊？氣動加熱是高速物體在敞開空間中運動，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，空氣會跑，肯定不會被壓縮對吧，這是因為壓力波會通知前方空氣，讓其為活塞讓路。但壓力波傳播速度是聲速，如果活塞運動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，進而空氣溫度升高，溫度計算公式是這樣的，飛行器你可以理解成就是個高速運動的活塞。
按照這公式，以音速運動，也就是1馬赫，被壓縮的空氣溫度將變為原來的1.2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，速度能達到8km/s。即便粗略按地表音速算，也達到了23個馬赫。飛行器前方迎風面能達到2000度也就可以理解了。
氣動壓縮離不開高速運動，常見的就是在航天領域，但帶來的卻是負面影響，增加了航天器回收的難度。
但是，氣動加熱也有點兒好的方面，而且很浪漫。夜晚，望向星空，發現顆顆流星劃過，戀人們雙手合十虔誠許愿。
而我，只希望氣動加熱一定要給力，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 導彈反向噴流對鈍頭體繞流的影響分析
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重的氣動加熱，特別是頭部駐點處，為了保證飛行器的性能，通常在其引導頭處使用逆向噴流鈍體熱防護罩的方法，如圖1所示。流場中逆向噴流射出后先形成一個馬赫盤，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生回流，重新附于物面，從而形成回流區；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，從而再附點遠離頂點，減少了氣動加熱；同時駐點區處于逆向噴流形成的回流區之中，于是駐點區附近的物面接觸的氣體溫偏低，因此逆向噴流熱防護方法能對嚴重加熱的駐點區起到很好的防熱效果。
圖1 鈍體熱防護罩反向噴射示意圖
2技術難點
國內在20世紀90年代末開始氣動熱光學效應預估仿真和校正技術的研究，起步較晚，與發達國家有一定的差距，雖然經過近些年的努力，針對高速飛行器的發展需求進行了高速流場計算方法、光學傳輸效應、氣動熱防護、風洞實驗等一些列研究。但如何快速高效的針對高速飛行器的噴流鈍體熱防護罩進行準確的氣動熱估算和合適的熱防護設計仍然存在諸多難點。本文將基于FloEFD采用高馬赫數流動求解器，對其流場進行仿真模擬，估算鈍體熱防護罩的防護效果。
3案例介紹
以具有反向噴流的半球體為研究對象，如圖2所示，取半球直徑為50mm，前緣開孔直徑為4mm。計算采用軸對稱方式，網格采用沿壁面前緣設置細網格，且著重在頭部敏感區域進行細密的網格劃分，并在計算過程中進行一次自適應網格加密。
展開 Abaqus子程序Umeshmotion案例 附umeshmotion翻譯下載
即單位時間內消耗的固體材料取決于化學反應速率，Arrhenius方程：
具體看以下案例，材料四周受到了不同的氣動加熱，材料中心固定約束。
燒蝕主程序有以下主要內容：
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)))
第一句為材料的內部節點燒蝕量，也就是已知環境壓力、材料節點溫度，活化能等，通過Arrhenius方程計算得到的燒蝕量；
第二句，其中LNODETYPE.EQ. 4 表為材料邊界上節點的燒蝕量，及其對應的燒蝕量，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點及其對應的燒蝕量，如圖2中1處所示。具體可以查看幫助文檔的說明。
也許伙伴們會有疑問，為何還要單獨對邊界和拐角處計算燒蝕量，個人認為兩個邊界共用一個節點，如果不單獨設置，會出現網格極度變形，導致計算失敗。更何況，實際上不同的邊界承受不同的氣動加熱，在拐角處可能會出現“轉戾區”，材料受到的溫度會與邊界的不一樣。在這個案例中，我嘗試了很多次不同設置，都因網格變形嚴重，導致計算失敗。如果存在其他原因，歡迎補充，謝謝。
展開 
（沙發帖）ESI高超氣彈計算軟件FASTRAN介紹及算例
它采用了多種網格技術，如結構網格、嵌套網格、非結構網格以及動網格技術，將基于密度的可壓縮歐拉方程和N-S 方程同剛體運動動力學、有限速率化學反應和非平衡傳熱學耦合起來，解決一系列極為復雜的航空航天氣動問題，可以模擬絕大多數復雜的航空航天中涉及的各種問題，比如飛行器流場分析，氣動加熱，機動和級間分離，飛行器飛行動力學及所載各種彈體的發射過程研究。
機翼全參數化設計及流-固-熱耦合分析
各種不同翼型結構的參數化快速建模
2) 案例描述
機翼結構復雜，需要找出全參數化定義設計和分析模型的具體實現方法，需要同時考慮CFD氣動分析及氣動加熱和結構熱傳導、結構動靜強度、流固熱三個物理場在各種不同的計算狀態下的雙向耦合。基于這種技術挑戰，機翼全參數化設計及流-固-熱耦合分析系統利用APDL全參數化建模，同時建立結構分析模型和CFD網格模型；利用Mechanical+CFX流固耦合實現流-固-熱三場多狀態雙向耦合計算。
自動構建機翼流-固-熱耦合分析網格
3) 實踐及效果
a、 實現了機翼結構幾何及流-固-熱三場分析網格模型的全參數化自動建立；
b、 實現了流-固-熱三場全自動多狀態雙向耦合分析計算
c、 對機翼設計，尤其是前期設計階段，實現了全參數化快速多方案精細對比分析，極大提升設計效率和設計質量。
流-固-熱三場多狀態雙向耦合計算
展開 機翼全參數化設計及流-固-熱耦合詳解
主要技術挑戰：
機翼結構復雜，需要找出全參數化定義設計和分析模型的具體實現方法；
需要同時考慮CFD氣動分析及氣動加熱和結構熱傳導、結構動靜強度、流固熱三個物理場在各種不同的計算狀態下的雙向耦合；
解決方案：
利用ANSYS APDL全參數化建模，同時建立結構分析模型和CFD網格模型；
利用ANSYS Mechanical+CFX流固耦合進行流-固-熱三場多狀態雙向耦合計算；
結論：
結論：
實現了機翼結構幾何及流-固-熱三場分析網格模型的全參數化自動建立；
實現了流-固-熱三場全自動多狀態雙向耦合分析計算。
各種不同翼型結構的參數化快速建模
自動構建機翼流-固-熱耦合分析網格
用戶價值
對機翼設計，尤其是前期設計階段，實現了全參數化快速多方案精細對比分析，極大提升設計效率和設計質量。
流-固-熱三場多狀態雙向耦合計算
展開 直播預告 | MSC Nastran復合材料熱分析及熱機耦合分析
然而，其各向異性特性在高溫環境（如氣動加熱、發動機熱載荷、太空極端溫度循環）下帶來嚴峻挑戰：熱膨脹不協調、熱應力集中、層間失效風險陡增。
傳統分析方法難以精確模擬此類材料復雜的各向異性熱傳導和非線性熱力耦合行為，往往導致設計過度保守、試驗成本高昂且失效風險難以有效控制。因此，如何精準預測復合材料在熱載荷作用下的變形與應力分布，成為提升其可靠性的核心難題。
熱傳遞的4個類型
為應對這一挑戰，海克斯康工業軟件旗下的有限元結構分析軟件MSC Nastran在復合材料熱分析及熱-力耦合分析領域表現卓越。MSC Nastran憑借其在熱傳導模擬、熱-力耦合分析、性能失效評估等方面的強大能力，將有效突破復合材料熱力學分析的瓶頸，助力提升設計精度與產品可靠性。
本期直播講堂請到了海克斯康結構仿真軟件應用專家李坤鵬，在直播間中講師將重點講解MSC Nastran在復合材料熱分析及熱機耦合分析方面的各項功能，并以多個應用案例展示其在解決復合材料熱力學分析難題的創新之處。敬請關注！
直播報名
8月21日 14:00
▲ 掃碼參與報名
立即預定
直播內容聚焦
? 熱傳導模擬：精準預測復合材料結構內部溫度場分布
? 熱-力耦合分析：高效求解溫度梯度引發的熱應力與熱變形
? 性能與失效評估：識別熱環境下的潛在高風險區域
李坤鵬
海克斯康結構仿真軟件應用專家
精通結構有限元分析，有豐富的工程項目經驗，參與完成的重大項目包括：飛機適航強度分析、貨機改裝強度分析、復雜電機傳動產品失效分析與對標。
展開 推薦閱讀 | 寬速域飛行器發展及研究現狀綜述
以劉傳振等研究的雙后掠乘波體為例［40］，高速狀態和低速狀態下，飛行器的氣動焦點位置差異較大，如圖22所示。另外，由于適用于高速飛行的飛行器為減少阻力，機身整體呈現細長條狀，橫航向安定面設計裕度較小，所以飛行器的橫航向穩定性會受到嚴重的影響。因此在實際設計寬速域飛行器時，要綜合飛行任務、氣動性能需求，通過合理布置飛行器整體氣動外形和設置操縱安定面來保證飛行器的縱向以及橫航向穩定性。
圖22 雙后掠乘波體氣動焦點變化[40]
Fig.22 Variation of aerodynamic focus of double-swept waverider[40]
5.3 減阻降熱
減阻降熱是進行高超聲速飛行的飛行器歷來存在的技術難題［60］。為達到高速飛行下盡可能減少激波阻力和粘性阻力的目的，高超聲速飛行器整體構型多采用大長細比機身，飛行器頭部更需要尖前緣設計，但這在降低阻力的同時帶來了嚴重的氣動加熱問題，而傳統鈍化前緣半徑的方式又會導致飛行器頭部產生弓形激波而增加飛行器的激波阻力和摩擦阻力。因此，在保證飛行器氣動力、總體裝載需求的情況下，研究飛行器在不同流場中的氣動加熱機理、合理優化飛行器外形、尋找新型減阻防熱材料是寬速域飛行器設計的重要研究方向。
5.4 推進技術
超燃沖壓發動機是高超聲速飛行器的動力研究熱點，燃料增混、燃燒強化、邊界層轉捩和燃燒熱防護等是目前超燃沖壓發動機的研究難點［61］，并且單一動力結構無法滿足從水平起飛到高超聲速階段的動力需求。
展開 飛機是怎么隱身的？你知道嗎？
降低紅外輻射也是飛機隱身的關鍵環節，飛機的發動機尾噴口由于溫度遠高于周圍環境溫度，容易被紅外探測器捕捉到，當飛機超音速飛行時，機體表面產生的氣動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。那么怎樣才能對飛機上容易產生紅外輻射的部位進行隔熱、降溫呢？
典型措施有：在機體表面涂敷降低紅外輻射強度的涂料；通過改變尾噴口的形狀，使外界冷空氣充分與高溫燃氣進行摻混，從而降低高溫燃氣的輻射強度。
自主CAE | PERA SIM聲學解決方案綜述
使用軟件：PERA SIM ProNas
圖10 整船能量有限元模型及結構載荷、噪聲載荷模型
圖11 結構速度響應云圖、聲腔響應云圖
表1 個別艙室仿真-測試結果對比
2.6整流罩振動噪聲分析
衛星整流罩是運載火箭的重要組成部分，當運載火箭在大氣中飛行時，可用于保護衛星及其它有效載荷，防止衛星受氣動力，氣動加熱及聲振等有害環境的影響；對于整流罩結構來說，外部噪聲（尤其是中高頻噪聲）對結構及內部有效載荷的影響很大。本案例對某整流罩結構進行振動環境的預示，采用能量有限元分析的方法，建立了能量有限元模型，獲得了整流罩結構上能量傳遞云圖，以及上、下腔室內的聲壓級響應結果。
使用軟件：PERA SIM ProNas
圖12 火箭整流罩模型
圖13 整流罩分析結果?
3.結論
PERA SIM聲學解決方案，可以在統一平臺下，徹底解決用戶對聲學問題在全頻范圍內的分析需求。通過上述各行業典型應用案例的分析對比表明，無論是解決耦合還是非耦合問題，PERA SIM聲學模塊都能實現準確的仿真預測。最后，如果讀者想要進一步了解我們產品，請與安世亞太技術人員聯系。
展開 
解析現代戰機的自衛系統
作為探測手段主要依靠來襲導彈上尾焰或氣動加熱所產生的紅外輻射信號進行告警的MAWS，紅外MAWS相比紫外MAWS有著更優秀的全時段告警能力，且得益于高靈敏度的紅外成像陣列，其瞬時視場、目標識別及對來襲導彈的航路預測等與自衛對策系統息息相關的能力都明顯強于紫外MAWS。因此，雖然相比紫外MAWS依舊有著成本高昂、維護困難（主要來自紅外成像體制需要制冷的問題）、虛警率高等劣勢（大氣層內特別是地面背景下紅外干擾源較多，需要很復雜的虛警處理技術，大大增加了此套系統的運算需求，如F-35的AAQ-37分布式光電孔徑系統就有這個問題），但是依舊無法阻擋紅外體制MAWS在光學告警領域慢慢取代紫外MAWS的趨勢。
主動多普勒體制MAWS:獨辟蹊徑、適應性強
相較于紫外與紅外這類被動光學體制的MAWS，主動多普勒MAWS可以看成是分布于載機各處的數個小型雷達對360°內的空域進行連續搜索掃描并對來襲導彈進行告警。正是因為這種主動雷達式的工作方式，因此多普勒MAWS除了更優秀的全時段告警能力外，對復雜天氣的適應性也強，可以全天候工作。當然，其最大的優勢還是在于主動工作方式可以提供極為精確的來襲導彈的速度、距離、角度等信息，這對于戰機對來襲導彈是進行干擾欺騙還是機動規避的對策選擇都是非常有意義的。
（主動多普勒MAWS可以看成是數個安裝在機體各處的小型預警雷達。圖為以色列ELTA公司研發的EL/M-2160多普勒MAWS。）
主動多普勒MAWS的不足在于，相比其他兩種光學體制MAWS，其設備體積重量是最大的，適裝性不佳。且在復雜電磁環境下容易被各類手段所干擾，導致告警效能下降的問題。此外其發射的電磁波容易被敵方電子偵查設備截獲，因此當有任務需要戰機保持無線電靜默狀態時，則必須關閉多普勒MAWS，這種時候就無法起到導彈來襲告警的目的了。
展開 飛行器尾舵純模態試驗
PART.4
結論
飛行器在飛行過程中，可能會受到多重極端的氣動加熱效應，引起飛行器結構的熱物理參數和力學性能的變化，造成結構彎曲、扭轉剛度的衰減，以及顫振安全邊界的降低，嚴重威脅著飛行器結構的安全性及可靠性。因此，準確、可靠地獲取飛行器尾舵系統的動態特性參數對工程師進行顫振特性分析及氣動伺服彈性分析來說，具有重要的工程意義。
依托漢航豐富的工程實踐經驗及堅實的理論基礎，使用漢航Hunter MF系列高精度數據采集硬件，結合NTS.LAB模態測試軟件，對尾舵系統進行純模態試驗，可以幫助工程師快速、高效地評估尾舵系統在不同工況和飛行條件下的穩定性和可靠性，最大程度地降低時間成本和經濟成本。通過分析尾舵系統的振動模態和頻率響應，可以確定系統的頻率、阻尼特性和模態耦合情況，從而評估系統是否滿足設計要求，并對系統的參數進行調整和優化，確保飛行器在各種飛行動作下的穩定性和操控性。
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展開 透波材料的總結和發展趨勢
在導彈飛行過程中，它既要承受氣動載荷、氣動熱等惡劣環境，又要作為發射和接收電磁波的通道，保證信號的正常傳輸，從而使導彈順利完成制導和引爆等任務[1]。此外，為了減少導彈頭部氣動阻力，天線罩還必須具有合適的氣動外形[1,2]。因此，天線罩能夠保護導彈的制導、通訊、遙測、引爆等系統在惡劣環境條件下正常工作，是一種集承載、導流、透波、防熱、耐蝕等多功能為一體的結構/功能部件[3,4]。
隨著導彈飛行馬赫數的不斷提高，處于導彈氣動力和氣動熱最大最高位置的天線罩需承受的溫度和熱沖擊越來越高。新一代戰術導彈的再入速度可高達幾十個馬赫，這使得導彈天線罩的工作環境日趨惡劣[5]。高溫透波材料研究的滯后是制約導彈技術發展的瓶頸之一。因此，高馬赫數導彈天線罩熱透波材料必須具備良好的綜合性能，歸納起來，主要有以下幾點[6]：
（1）力學性能優良。斷裂強度和韌性高，可承受高馬赫數導彈高速飛行時縱向過載和橫向過載產生的剪力、彎矩和軸向力，且要具有一定的剛性，使其在受力時不易變形。
（2）介電性能優異。介電常數ε低，損耗角正切值tgδ小。通常情況下，在0.3～300GHz頻率范圍內，天線罩材料的適宜介電常數ε應小于4，損耗角正切tgδ在10-3數量級以下，這樣才能獲得較理想的透波性能和瞄準誤差特性。
（3）抗熱震性和耐熱性好。天線罩必須承受由于氣動加熱引起的劇烈熱沖擊和高溫環境，高馬赫數導彈天線罩更要能承受2000oC以上的高溫。
（4）經得起雨蝕、粒子蝕、輻射等惡劣環境條件。
（5）原料易得，易于加工，成本低廉等。
2. 熱透波復合材料的分類
相比于純陶瓷材料，陶瓷基復合材料的最大優勢在于很高的抗熱沖擊性能和結構可靠性，特別適用于高超聲速再入的熱力載荷環境。
展開 (轉）Ansys——CFX產品案例
CFX模擬的連續加熱爐，該爐采用直接加熱方式，側墻共布置12個燒嘴(鋼帶上面8個，下面4個)。通過CFX模擬可得出加熱爐的總效率，鋼帶離開加熱爐時橫斷面上的溫度分布，以及從鋼帶表面的溫度過熱點。從圖中溫度分布可以看出，鋼帶有一角的溫度過高，這會影響鋼產品的質量。
HTA鋼鐵公司用CFX模擬來優化鑄造爐內燒嘴的類型和位置。采用瞬態計算來發現流動的不穩定性，同時考慮了燒嘴內的流動和融池內的流動。CFX很好地模擬出了融池內因浮力驅動產生的二次流現象，以及諸如回流區、渦、表面波的發展、溫度分布的不均勻性等設計缺陷。通過優化燒嘴類型和位置來克服這些缺陷，取得了明顯的效果。
11. 電子散熱
CFX模擬的機箱內部的散熱情況，CFX中的共扼傳熱模塊對分析這類問題有明顯的優勢，對風扇來講，CFX不用用戶給出近似模型，而是直接對散熱風扇進行詳細模擬，這是保證整個模擬結果精確的重要環節。
CFX對小型電鉆的散熱模擬，電機轉速高達每分鐘19000轉，電機軸產生大量的熱，需要充足的通風量保證散熱效果。CFX可以預測出風扇以及通風口設置對散熱效果的影響程度，從而對設計進行優化，給出最佳的設計方案。
CFX模擬的軸向自通風方式的電機冷卻，綜合考慮了轉子和定子的鐵耗，交流線圈和勵磁線圈的銅耗，以及機械損耗和雜項損耗。模擬的出口空氣溫度和實際值相差很小。對設計有很大的指導作用。
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