本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

一、作者与发表信息

本研究由Jie Huang、Piao Li、Weixing Yao（通讯作者）合作完成，作者单位均为南京航空航天大学（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics）。论文标题为《Thermal Protection System Gap Analysis Using a Loosely Coupled Fluid-Structural Thermal Numerical Method》，发表于Acta Astronautica期刊2018年第146卷（页码368–377），DOI为10.1016/j.actaastro.2018.02.047。

二、学术背景

研究领域与动机

研究聚焦于航天器热防护系统（Thermal Protection System, TPS）的间隙热控制问题，属于气动热力学与结构传热的交叉领域。航天器再入大气层时，陶瓷隔热瓦（ceramic tile）因结构变形和热膨胀需预留间隙（gap），但间隙区域易成为热防护薄弱点，可能导致局部过热甚至失效。传统分析方法将气动加热（aerodynamic heating）与结构传热（structural thermal）解耦计算，忽略了二者的耦合效应（coupled effect），导致热流和温度预测偏差。

研究目标

开发一种松散耦合的流体-结构传热数值方法（loosely coupled fluid-structural thermal numerical method），通过计算流体动力学（CFD）与数值传热（NHT）的协同仿真，精确分析间隙热控制性能，并验证其优于传统解耦方法的准确性。

三、研究方法与流程

1. 数值算法开发

研究提出以下核心算法：
- 气动加热分析：基于Navier-Stokes方程，采用有限体积法（FVM）离散流场，空间离散使用NND-TVD格式（无振荡无扩散-总变差递减格式），湍流模型为Menter SST模型，非定常分析采用双时间步法（dual time-stepping method）。
- 结构传热分析：通过瞬态热传导方程（含各向异性导热系数），采用有限元法（FEM）离散结构温度场，边界条件包含气动热流和热辐射（Stefan-Boltzmann定律）。

2. 耦合方法设计

• 松散耦合框架：流体与结构模型独立求解，通过控制面插值算法（control surface-based interpolation algorithm）交换壁面热流（wall heat flux）和壁温（wall temperature）数据，确保热流守恒（见公式12）。
  
• 迭代流程：
  
  1. 初始化稳态流场；
     
  2. CFD计算气动加热，映射热流至结构模型；
     
  3. FEM计算结构温度，映射壁温至流体模型；
     
  4. 循环迭代直至达到总分析时间。
     

3. 验证案例

选择NASA高超声速圆管风洞试验模型进行验证：
- 模型参数：内径25.4 mm，外径38.1 mm，材料为不锈钢（导热系数16.72 W/(m·K)）。
- 仿真设置：马赫数6.47，初始温度294.4 K，耦合时间步长1×10⁻⁴ s，总时长2 s。
- 结果对比：驻点温度模拟值442 K与试验值465 K误差4.95%，热流误差1.34%，验证了方法的准确性。

4. TPS间隙热控制分析

• 几何模型：间隙宽度3 mm，深度44 mm，局部攻角20°，马赫数7。
  
• 边界条件：包含涂层热辐射（emissivity=0.85）和主动冷却系统（CCS）功率。
  
• 对比实验：传统解耦方法与耦合方法的结果差异显著，后者因考虑耦合效应更接近真实工况。
  

四、主要结果

1. 间隙热流分布：

   • 热流集中分布于间隙顶部2 mm区域（高温区），峰值热流比平板区域高168.5%（图13）。
     
   • 间隙背风侧热流低于迎风侧，证实局部流动不对称性。
     

2. 耦合效应影响：

   • 传统解耦方法高估驻点温度11.39%和CCS功率10.26%（表3），因其未考虑结构温升对气动加热的反向抑制。
     

3. 参数敏感性：

   • 马赫数：从7增至10时，陶瓷瓦最高温度（tmax1）上升41.47%，CCS功率增加134.08%（表4）。
     
   • 攻角：从0°增至15°时，tmax1上升56.20%，CCS功率增加283.31%（表5）。
     
   • 间隙宽度：从3 mm增至6 mm时，CCS功率增加54.24%（表6）。
     

五、结论与价值

科学价值

1. 提出的松散耦合方法首次在TPS间隙分析中量化了气动加热与结构传热的双向耦合效应，为复杂热环境仿真提供了新范式。
   
2. 揭示了间隙热流的非均匀分布规律，明确了高温区集中于顶部的物理机制。
   

工程应用价值

1. 指导航天器TPS间隙设计：需针对高马赫数、大攻角工况优化间隙尺寸，避免局部过热。
   
2. 降低CCS功耗：耦合方法可减少传统设计中的冗余功率配置，提升能源效率。
   

六、研究亮点

1. 方法创新：开发了基于控制面插值的耦合算法，解决了CFD-FEM网格不匹配导致的热流守恒问题。
   
2. 多尺度验证：从简单圆管到复杂TPS结构，逐级验证方法的普适性。
   
3. 参数化研究：系统性分析了马赫数、攻角等关键参数的影响，为工程提供设计依据。
   

七、其他贡献

论文还探讨了间隙空腔热辐射（gap cavity thermal radiation）的影响，发现高温区辐射会提升底部SIP（应变隔离垫）温度，进一步增加CCS功耗（图16），这一现象在传统分析中被忽视。