2020年35期
创新前沿
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
一种承受高速气流冲击的平板加热功率预估方法
刘志民，弓云昭
（中国飞机强度研究所，陕西西安710065）
1概述
飞行器在高速飞行时，高速空气与飞行器壁面发生热交换，这种现象称为气动加热。现把高速飞行器简化为一块平板，在平板背面有高速气流掠过，带走平板部分热量，在平板正面施加热载荷，欲使平面正面温度保持于900K ，估算平板所需的加热功率。对于这种问题，通常采用流体力学软件进行数值仿真[1-3]。但是，流体力学软件计算复杂，花费时间较长，不适用于产品的初期设计。本文采用工程计算方法和有限元方法相结合，给出平板所需要的加热功率。
2计算方法
按照给定的平板尺寸建立数值仿真模型。
以厚度为b ，长度和宽度均为a ，单位均为m 的金属平板建立三维数值仿真模型，在数值仿真模型中定义金属的材料特性，包括随温度变化的传导率和比热，以及金属材料的密度。
根据高速气流的流动状态，采用工程计算方法，计算结构背面承受强迫对流系数。把对流系数施加于平板背面以模拟对流边界，在平板正面施加空间环境辐射边界条件，同时施加热流载荷，热流载荷是通过热流反演得到的。之后计算理想状态下的功率，再根据加热效率确定所需功率，如图1所示。
2.1对流系数计算（1）计算气流雷诺数已知特征长度为a ，单位为m ；气流速度为V ，单位为m/s ；气流速度为T Air ，单位为K ；按照T Air 查标准大气参数表知：空气的普朗特数为Pr ，运动黏度为V ，单位为m 2/s ；空气的传导率λ0，单位为W/m/K ；则雷诺数为Re=V×a/V 。
（2）通过雷诺数Re 判断气流的流动特性Re c =5.0×105为层流和湍流的分界标志，如果Re ≤Re c ，
气流为层流流动，否则为湍流流动。
（3）计算平均努塞尔数
层流流动平均努塞尔数[4]：Nu=0.664×Re 0.5×Pr 1/3；湍流流动平均努塞尔数：Nu=0.037×（Re 0.8-Re c 0.8）×Pr 1/3
（4）计算气流的对流系数h=Nu×λ0/a （W/m 2）2.2边界条件施加（1）对平板背面施加空间辐射边界条件把计算得到的对流系数h （W/m 2）施加在数值仿真模型
的下表面（Z 轴负方向）作为对流边界条件，参考温度取T 1
（K ）。
（2）对平板正面施加空间辐射边界条件
在数值仿真模型的上表面施加空间辐射边界条件，参考温度取T 1（K ），黑度系数取值0.8，斯忒藩-玻耳兹曼常量取值5.6696×10-8（W/m 2/K 4）。
2.3热流载荷反演（1）计算初始热流载荷。（2）对数值仿真模型上表面施加T 1（K ）到T 2（K ）温度载荷，进行瞬态温度场分析，得到数值仿真模型正面的热流Q （W/m 2），该热流作为初始热流。
（3）对平板正面施加热流载荷。（4）删除数值仿真模型的温度载荷，施加热流载荷Q+Q×2%（W/m 2），进行瞬态温度场分析。
（5）数值仿真结果与设定温度比较。提取数值仿真模型上表面节点温度T （t ）compute ，与设定温度T （t ）affirmatory 进行比较，如果|T （t ）compute -T （t ）affirmatory |<0.02，则转到（4），对热流载荷Q 增加2%进行瞬态温度场分析，
否则转到第（6）步。这样，计算得到的热流误差在2%以内。
（6）结束。
摘要：采用工程计算方法得到最大对流系数并在平板结构有限元模型背面中施加对流边界条件，在平板结构有限元模型热面中
施加空间辐射边界条件，通过热流反演得到平板结构所需要的最大热流，最后根据平板面积计算得到其加热功率。
关键词：高速气流；壁面换热；辐射热损失；
功率预估中图分类号:V414.9
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2020)35-0013-03
Abstract :The maximum convective coefficient is obtained by engineering calculation method,and the convective boundary condi⁃
tion is applied in the back of the finite element model of the flat plate structure,and the space radiation boundary condition is ap⁃plied to the hot surface of the finite element model of the flat plate structure.The maximum heat flow required by the flat plate structure is obtained by heat flow inversion.Finally,the heating power is calculated according to the plate area.
Keywords :high speed airflow;wall heat transfer;radiant heat loss;power estimation
作者简介：刘志民（1983-），男，硕士，高级工程师，研究方向：
结构热强度试验与分析。13--
