多场耦合共轭传热方案

多物理场紧耦合预测

为高焓非平衡流热防护系统设计提供流体-热-催化-辐射一体化耦合计算方案，较传统非催化或全催化模型更精确复现实验热流。

Wencheng, Lin · Hu, Feng · Zhuochen, Sui · Yuxuan, Wang · 金华 · 尤延铖

International Journal of Heat and Mass Transfer 2025

参数信息

激波后驻点最大压力

2.06 kPa

SiO2表面驻点热流密度（工况1）

0.294 MW/m²

SiO2表面驻点热流密度（工况2）

0.490 MW/m²

SiO2表面驻点热流密度（工况3）

0.731 MW/m²

技术优势

热流预测更接近实测

采用本耦合方案计算的SiO2表面驻点热流密度与JAXA电弧风洞实验数据吻合良好，最大偏差小于8%，而传统的非催化或全催化模型预测结果偏离更大。

多物理场松紧耦合兼顾精度与效率

在统一的共轭传热框架下，对流体-热场采用紧耦合求解，对表面催化与辐射分别采用松耦合和弱耦合处理，既保证了关键物理过程的精度又避免了全紧耦合的巨大计算代价。

可以拓展纳入更多物理场

该多级耦合框架通过合理定义层级关系，为进一步引入更多物理场（如烧蚀、等离子体等）奠定了基础，提升了方案的通用性和发展潜力。

应用场景

• 高超声速热防护：直接获取高焓非平衡流动下的表面热流，取代保守的工程估算公式。
• 再入飞行器热设计：定量预测再入飞行器关键部位的热载荷，支持热防护系统精细化设计。
• 多物理场耦合计算：提供通用的多级耦合框架，示范如何平衡精度与计算成本。
• 高焓风洞试验：作为数字孪生工具，与电弧风洞实验数据直接对标并辅助状态优化。