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面向国家空天战略 致力航空航天热物理学研究——北京航空航天大学国际交叉科学研究院、国际通用工程学院院长文东升

2021-05-19

 

热量的产生、储存及传递是我们周围常见的现象,也是现代能源动力、社会生活的基础。热物理学是航空航天的基础学科,和燃烧、推进、气动设计、能源管理等紧密相关。随着飞行速度的提升,其在飞行器设计及动力推进中的作用也越来越重要,比如高速飞行时所遭遇到的“热障”就一直是制约飞行器发展的瓶颈问题。北京航空航天大学国际交叉科学研究院、国际通用工程学院院长文东升教授多年来深耕热物理学领域,交叉创新,创造性地把热/热力学和材料、化学、物理等学科有机的结合起来,通过微观与宏观的结合、材料化学与工程的结合、实验和模拟技术的结合,系统研究揭示热量的产生、储存、传递机理,以及在能源、化工、航空航天中的应用。在微纳材料设计及制备、多尺度模拟计算、高超声速力热耦合、高效防除冰技术、纳米流体、纳米燃料等方向开展了大量研究并取得多项创新性成果。
 
1 高效低成本纳米材料设计及制备
文东升创新性地提出原位合成法制备纳米颗粒及纳米流体的新技术(图1)。不同于传统的先制备再分散的传统方法,该技术以基液为母体,使化学反应在基液中发生,通过控制环境变量及反应参数,一步合成稳定的纳米颗粒及稳定纳米流体。如通过CuC2O4热分解,原位生成CuO纳米颗粒于熔融盐中,并显著提升生成的纳米复合材料的比热值;通过FeCl3和FeCl2的水解,原位生成氧化铁纳米颗粒于反相微乳液中(水在环己烷中)并制备稳定纳米流体于高盐度的LiBr/H2O双液体中,促进了其在吸收式制冷中的应用;原位合成Fe2O3纳米颗粒于反相乳液中,可增加油滴的稳定性,强化驱油效果,在能源化工中有很好的应用前景。
 
2 多尺度模拟及耦合计算
热量的产生及传递从本质上说是一个多尺度的问题。传统的计算流体力学(CFD)模拟适合于基于连续流和非滑移的假设,但在高速飞行、稀薄气体流动或特征尺度非常小的情况下不能应用。基于牛顿第二定律的分子动力学(MD)能够提供详细的分子层面上的信息,但是现有计算能力远远不能满足宏观计算的需求。文东升考虑空间和实际的跨尺度与跨层次特征,基于Openfoam开发新程序,开发连续介质方法和分子模拟相耦合的多尺度模拟方法,通过MD和CFD的实时耦合计算(图2),提高模拟和计算效率及精度,使其既有微观分子层面上的精度,又有宏观的计算效率。
 
3 高速飞行下的气动热预测及热防护
实现高速飞行的关键问题之一是对气动热环境的准确模拟预测。由于高焓非平衡环境下表面催化与气动加热复杂的耦合效应,微观催化机理的缺失导致无法建立可靠的有限催化模型。文东升提出开展基于微观反应分子动力学(ReaxFF-MD)与宏观CFD耦合的多尺度材料表面催化特性及气动热数值模拟计算。通过ReaxFF-MD方法构建可准确表征材料表面催化反应特性的微观气固交互模型,系统研究气体环境和固体表面属性对材料表面催化特性的影响规律,建立有限催化模型,并开展宏观CFD气动热多尺度耦合计算研究。相关成果有助于揭示材料表面催化微观机理,为优化高速飞行中气动热的准确预测和热防护系统中低催化特性材料的主动设计提供关键科学理论支撑(图3)。
 
4 防除冰基础研究及应用
飞行过程“过冷水滴”受到扰动时,会迅速在飞行器机翼和尾翼前缘,或在螺旋桨前缘、进气道前缘以及驾驶舱风档玻璃上结冰。飞行器积冰破坏了表面的光滑流场,直接增加了飞行阻力,降低了飞行控制的可靠性及飞机的升力,影响飞行稳定性,严重影响飞行安全,是飞行事故的主要原因之一。文东升开展防除冰的基础研究,从表面材料界面性能调控,高速液滴撞击及动力学,液滴结冰及蒸发机理等微观方面出发,开发新型低能耗防除冰技术(图4)。
近年来,文东升聚焦国家空天战略需求和航空动力学研究前沿,积极投身航空航天热物理和纳米能源工程等领域的基础研究和技术攻关,在微纳材料及表面制备、多尺度力热耦合及模拟、气动热模拟计算和高效防除冰技术等方面取得丰硕成果,目前已发表SCI文章280余篇,被引用1.6万余次,H因子54。