中北大学毕业设计外文翻译

气动加热及应力的数据模拟：化学气相沉积硫化锌

高超音速飞行器

摘要:超音速飞行器在红外窗口设计方面，对气动力的强烈程度和气动加热的严重程度要求更为严格。本文使用有限元分析提出基于热应力场的分布在红外窗口流场对超音速飞行器的研究。评估提供了理论指导气动加热的影响和力量在红外窗口材料。气动热流从Mach 3 - 6马赫航班在15公里的高度在标准大气通过流场分析。温度和压力反应然后调查下常数传热系数边界条件对不同马赫数。数值结果表明,最大应力高于材料强度在6马赫,这意味着材料可能出现的失败。的最大应力和温度低于熔点的材料强度和在其他情况下,所以材料安全的。

关键词:化学气相沉积(CVD)的硫化锌,红外窗口材料,热应激反应,高超音速车辆doi:10.1631 / jzus.A1300341 文档代码:A CLC数量:V21

1简介

飞机和航天器结构设计超音速和高超音速飞行是接受在发射和严重的气动加热再入阶段的操作,这是所致的空气边界层逐渐减慢(阮et al .,2010)。因此,所有车辆的外部表面加热。这将会导致不均匀的瞬态温度生产动态热应力和变形。因此,高加热与冲击前缘是车辆的重要问题设计。除了表面的融化和消融飞机空气动力学可以摄动,导致不可接受的飞行轨迹的偏差。另一个问题信号折射穿过震惊吗热气体层在汽车前面的头(萨拉瓦南et al .,2009)。近年来,已经有了意义投资发展的高超音速汽车技术。高超音速飞行开始1949年2月,当一个女军团(WAC)下士从我们捕获的v - 2火箭点燃火箭(太阳和吴,2003)。后来,广泛的数值分析(Jain和海斯,2004;Di Clemente et al .,2009;Gerdroodbary Hosseinalipour,2010)压力、传热和表面温度定或不稳定传热边界层高超音速流。尽管一些飞行实验也进行了(Di Clemente等,2007;马里尼et al .,2007)收购空气动力学加热在飞行条来评估这些数据预测方法,飞行数据并不适合完成验证。之间的耦合方法内部和外部字段在超音速条件下研究了近年来(卡勒和麦克纳马拉,2010)。Clemente et al。(2013)进行了研究等离子体的表面温度测量

风洞实验和比较这些结果测试数值重建的结果通过一个集成的过程耦合的外部空气动力场内部热状态的结构。作为高超音速的关键部件之一车,用于传输红外红外窗口信号,并保持符合空气动力学的形状和保护其成像系统。高水平的空气动力学加热会引起故障甚至损坏设备(白色,1993;Gnemmi et al .,2003)。过度加热会对车辆造成烧蚀表面材料。结合高压负载的存在,严重加热会导致失败和一个完整的材料

影响其他仪器的正常表现下面窗口(Heubner et al .,1995)。的窗口设计要求(Russell et al .,2003):(1)适应的严重高度瞬态aeroheating和产生的热梯度;(2)提供一个有效的密封,以防止气体流入激光器指导电子卷;(3)最小化空气动力学负载由表面冲洗;(4)最小化动态对窗口由于发射和飞行的影响冲击;(5)提供一个足够的表面光洁度和遗传性的光波长的兴趣。锌硫化物锌矿)是最常见的一种材料红外窗口(哈里斯et al .,2008)。最常见的技术存款立方多晶硫化锌厚膜光学窗口应用程序

基于化学汽相淀积吗(CVD)过程(哈里斯,1995)。这种技术更快、更宜比(分子的外延方法束外延(MBE)和原子层外延(ALE)),比湿化学纯度

方法(Tropf et al .,1996)。本文的主要目的是提供一个理论指导设计的红外线窗口的硫化锌(CVD)超音速汽车。来完成这一点,预测aeroheating的过程和热响应的典型车辆配置首先在高速流动的描述。的气动热流从3马赫6马赫15公里的高度标准大气通过流场分析。这时,一个有限元描述使用耦合分析方法研究的热场及应力场的分布红外窗口超音速汽车。其余部分本文的安排如下。在下一节中,所使用的数学模型包括流场模型、结构模型和•冯•米塞斯理论。接下来,主要仿真研究的结果进行了讨论。的论文完成的主要结论和建议为未来的研究。

2.3物理模型

推广窗口结构的研究,超音速汽车配置用于超音速流,如图1所示。的总长度配置 3 m,它由两个主要的部分:鼻子和指导部分和电机部分节是一个wedgeshaped鼻子和指导身体,这样窗口位于表面是斜freestream流。鼻子的半张角16°,距离从1.046米的鼻子尖。模拟流利的14.0®环境中进行有限体积的

方法。图2显示了使用季度模型示意图对仿真与对称条件这两个中间的脸。最外层是一个钛约束GrafoilTM框架支持窗口在框架和之间的界面窗口提供密封,减少压力。的内心深处的心血管疾病是红外功能窗口硫化锌材料。结构尺寸所示图3。通过ANSYS有限元分析14.0®提出了研究热的分布使用耦合应力场细胞固体5。的热力和机械性能表1中列出的窗口GrafoilTM和心血管疾病硫化锌属性来自供应商的数据。

2.4网格生成

流场模型使用四边形元素精制的边界层和X和Y方向上的网格数是1406吗到199年,如图4所示。一个隐式的配方是构建网格点。梯度是离散使用基于Green-Gauss节点计划。有关流、湍流动能和特定的耗散率离散使用二阶逆风方案。的收敛精度流场模型设置为1×10−5。

由热力和结构模型使用六面体元素初始应力场温度298 K和网格的数量结构模型在X,Y,和Z方向是110年,77年,分别和29(图4 b)。预条件共轭梯度(PCG)解算器适用于模拟有限元模型和融合结构模型的精度测量设置为1×10−8。

2.5负载

在流体模型使用的初始条件不断从3到6马赫数字飞行高度15公里的一个标准大气。因此,freestream流条件P∞= 12 112.0 Pa和T∞= 216.8 K,墙温度298 K。气动加热负载从流体模型应用于结构模型的皮肤吗使用一个对流加热边界条件,的外表面对流传热系数和绝热壁温内表面的输入。窗口是最初无压力,均匀的温度298 K。

3.2.2 Aerothermoelastic研究

确定危险的温度和热应力,可能会导致红外的失败窗口中,流体的热负荷模型(表2)应用于表面窗口来模拟温度和压力反应10点。温度和力反应在Mach 3,