● 摘要
风洞是在地面条件下开展高超声速飞行器气动特性和结构特性研究所必须的重要实验设备。为了提供足够高能量的空气，蓄热器成为风洞的重要配套设备之一。近年来，随着航空航天技术的发展，风洞逐渐成为研究热点，而能够为风洞提供满足来流测试条件的风洞蓄热器内部的传热与流动特性的研究也引起人们的关注。
风洞蓄热器尺寸较大，结构较为复杂，经过加热后工作气体温度可以高达3 000 K左右，通过实验方法获得其内部详细的传热与流动特性较为困难，因而数值模拟成为风洞蓄热器优化设计的重要手段，模拟结果可为实验测试和工程应用提供参考信息。
由于在风洞蓄热器内主要工作气体的温度和压力大幅度变化，因而在对蓄热器内传热流动过程进行数值模拟时，需要覆盖较宽温度和压力范围内空气的热力学和输运性质。因此本文基于Chapman-Enskog方法开展了空气热力学性质和输运性质的计算，为风洞蓄热器准确的数值模拟工作奠定了基础。通过对空气物性计算结果的分析发现，温度升高会引起空气体系内组分的解离、电离，而压力升高会导致体系内解离、电离反应向温度升高的方向移动，这些结果有助于加深我们对空气体系内的热力学和化学过程的理解。
风洞蓄热器传热与流动特性研究包括壁温特性和内部特性两个方面。在壁温特性研究中主要分析了在典型的风洞蓄热器保温层结构、材料和内部温度条件下，蓄热器最外侧壁温沿蓄热器轴向的分布特性，考核其是否满足设计要求。分析过程中采用了包括一维近似计算、SIMPLE算法的自编程计算和FLUENT软件计算等方法在内的多种方法进行比较验证。在内部特性三维数值模拟研究中，对风洞蓄热器内蓄热砖复杂结构提出了多种简化方案，并经过仿真验证确定了合理的简化模型。基于验证后仿真模型，针对加热过程和充气过程两种典型工况，根据目标需求合理设计了入口边界条件方案，获得了风洞蓄热器内部非稳态传热与流动的典型特性。计算结果表明：在加热过程中，高速气流在蓄热砖上端面处流动受到阻碍后沿内壁面向入口处方向流动，在贴壁处形成明显涡流，影响温度场分布；在充气过程中，分步充气较均匀进气更加符合工程实际需要，体系温度变化更为合理。
风洞是在地面条件下开展高超声速飞行器气动特性和结构特性研究所必须的重要实验设备。为了提供足够高能量的空气，蓄热器成为风洞的重要配套设备之一。近年来，随着航空航天技术的发展，风洞逐渐成为研究热点，而能够为风洞提供满足来流测试条件的风洞蓄热器内部的传热与流动特性的研究也引起人们的关注。
风洞蓄热器尺寸较大，结构较为复杂，经过加热后工作气体温度可以高达3 000 K左右，通过实验方法获得其内部详细的传热与流动特性较为困难，因而数值模拟成为风洞蓄热器优化设计的重要手段，模拟结果可为实验测试和工程应用提供参考信息。
由于在风洞蓄热器内主要工作气体的温度和压力大幅度变化，因而在对蓄热器内传热流动过程进行数值模拟时，需要覆盖较宽温度和压力范围内空气的热力学和输运性质。因此本文基于Chapman-Enskog方法开展了空气热力学性质和输运性质的计算，为风洞蓄热器准确的数值模拟工作奠定了基础。通过对空气物性计算结果的分析发现，温度升高会引起空气体系内组分的解离、电离，而压力升高会导致体系内解离、电离反应向温度升高的方向移动，这些结果有助于加深我们对空气体系内的热力学和化学过程的理解。
风洞蓄热器传热与流动特性研究包括壁温特性和内部特性两个方面。在壁温特性研究中主要分析了在典型的风洞蓄热器保温层结构、材料和内部温度条件下，蓄热器最外侧壁温沿蓄热器轴向的分布特性，考核其是否满足设计要求。分析过程中采用了包括一维近似计算、SIMPLE算法的自编程计算和FLUENT软件计算等方法在内的多种方法进行比较验证。在内部特性三维数值模拟研究中，对风洞蓄热器内蓄热砖复杂结构提出了多种简化方案，并经过仿真验证确定了合理的简化模型。基于验证后仿真模型，针对加热过程和充气过程两种典型工况，根据目标需求合理设计了入口边界条件方案，获得了风洞蓄热器内部非稳态传热与流动的典型特性。计算结果表明：在加热过程中，高速气流在蓄热砖上端面处流动受到阻碍后沿内壁面向入口处方向流动，在贴壁处形成明显涡流，影响温度场分布；在充气过程中，分步充气较均匀进气更加符合工程实际需要，体系温度变化更为合理。风洞是在地面条件下开展高超声速飞行器气动特性和结构特性研究所必须的重要实验设备。为了提供足够高能量的空气，蓄热器成为风洞的重要配套设备之一。近年来，随着航空航天技术的发展，风洞逐渐成为研究热点，而能够为风洞提供满足来流测试条件的风洞蓄热器内部的传热与流动特性的研究也引起人们的关注。
风洞蓄热器尺寸较大，结构较为复杂，经过加热后工作气体温度可以高达3 000 K左右，通过实验方法获得其内部详细的传热与流动特性较为困难，因而数值模拟成为风洞蓄热器优化设计的重要手段，模拟结果可为实验测试和工程应用提供参考信息。
由于在风洞蓄热器内主要工作气体的温度和压力大幅度变化，因而在对蓄热器内传热流动过程进行数值模拟时，需要覆盖较宽温度和压力范围内空气的热力学和输运性质。因此本文基于Chapman-Enskog方法开展了空气热力学性质和输运性质的计算，为风洞蓄热器准确的数值模拟工作奠定了基础。通过对空气物性计算结果的分析发现，温度升高会引起空气体系内组分的解离、电离，而压力升高会导致体系内解离、电离反应向温度升高的方向移动，这些结果有助于加深我们对空气体系内的热力学和化学过程的理解。
风洞蓄热器传热与流动特性研究包括壁温特性和内部特性两个方面。在壁温特性研究中主要分析了在典型的风洞蓄热器保温层结构、材料和内部温度条件下，蓄热器最外侧壁温沿蓄热器轴向的分布特性，考核其是否满足设计要求。分析过程中采用了包括一维近似计算、SIMPLE算法的自编程计算和FLUENT软件计算等方法在内的多种方法进行比较验证。在内部特性三维数值模拟研究中，对风洞蓄热器内蓄热砖复杂结构提出了多种简化方案，并经过仿真验证确定了合理的简化模型。基于验证后仿真模型，针对加热过程和充气过程两种典型工况，根据目标需求合理设计了入口边界条件方案，获得了风洞蓄热器内部非稳态传热与流动的典型特性。计算结果表明：在加热过程中，高速气流在蓄热砖上端面处流动受到阻碍后沿内壁面向入口处方向流动，在贴壁处形成明显涡流，影响温度场分布；在充气过程中，分步充气较均匀进气更加符合工程实际需要，体系温度变化更为合理。