Aero-thermodynamic analysis of a cylindrical leading edge placed in a hypersonic stream is carried out using an in-house developed conjugate heat transfer (CHT) solver. Isotropic and functionally graded materials (FGM) are tested as heat shields to understand the effects of the material property on the flow structure and aerodynamic heating associated with the mutual coupling of fluid flow and heat transfer. A simplified partitioned approach is employed to couple the independently developed fluid flow and heat transfer solvers to perform conjugate heat transfer studies. This framework employs a cell-centred finite volume formulation with an edge-based algorithm. Both strong and loose coupling algorithms are implemented for the data transfer across the fluid–solid interface. A test case of hypersonic flow over a cylindrical leading edge composed of an isotropic material is considered to validate the accuracy and correctness of numerical formulation adopted in the in-house solver. The significance of solid domain materials on the conjugate heat transfer has been studied by considering both isotropic material and FGM. The loosely coupled CHT solver required 10 times less simulation time when compared with the strongly coupled CHT solver. The interface heat flux evolution over time showed a decreasing trend, whereas an increasing trend was for the interface temperature. The current study strongly recommends CHT analysis for the design of thermal protection system of space vehicles. The thermal performance of FGMs composed of various volume fractions of Zirconia and Titanium alloy (Ti₆Al₄V) is assessed. The temperature distributions obtained from the CHT analysis shows that FGM with a power index of unity is a good material choice for thermal protection systems.

使用内部开发的共轭传热 (CHT) 求解器对放置在高超音速流中的圆柱形前缘进行空气热力学分析。各向同性和功能梯度材料 (FGM) 作为隔热罩进行测试，以了解材料特性对流动结构的影响，以及与流体流动和传热的相互耦合相关的空气动力加热。采用一种简化的分区方法来耦合独立开发的流体流动和传热求解器，以执行共轭传热研究。该框架采用以细胞为中心的有限体积公式和基于边缘的算法。强耦合算法和松耦合算法都用于跨流固界面的数据传输。考虑了由各向同性材料组成的圆柱形前缘上高超声速流动的测试案例，以验证内部求解器采用的数值公式的准确性和正确性。通过考虑各向同性材料和 FGM，研究了固体域材料对共轭传热的重要性。与强耦合 CHT 求解器相比，松散耦合 CHT 求解器所需的仿真时间减少了 10 倍。界面热通量随时间的演变呈下降趋势，而界面温度呈上升趋势。目前的研究强烈建议将 CHT 分析用于航天器热保护系统的设计。由不同体积分数的氧化锆和钛合金 (Ti) 组成的 FGM 的热性能 通过考虑各向同性材料和 FGM，研究了固体域材料对共轭传热的重要性。与强耦合 CHT 求解器相比，松散耦合 CHT 求解器所需的仿真时间减少了 10 倍。界面热通量随时间的演变呈下降趋势，而界面温度呈上升趋势。目前的研究强烈建议将 CHT 分析用于航天器热保护系统的设计。由不同体积分数的氧化锆和钛合金 (Ti) 组成的 FGM 的热性能 通过考虑各向同性材料和 FGM，研究了固体域材料对共轭传热的重要性。与强耦合 CHT 求解器相比，松散耦合 CHT 求解器所需的仿真时间减少了 10 倍。界面热通量随时间的演变呈下降趋势，而界面温度呈上升趋势。目前的研究强烈建议将 CHT 分析用于航天器热保护系统的设计。由不同体积分数的氧化锆和钛合金 (Ti) 组成的 FGM 的热性能 界面热通量随时间的演变呈下降趋势，而界面温度呈上升趋势。目前的研究强烈建议将 CHT 分析用于航天器热保护系统的设计。由不同体积分数的氧化锆和钛合金 (Ti) 组成的 FGM 的热性能 界面热通量随时间的演变呈下降趋势，而界面温度呈上升趋势。目前的研究强烈建议将 CHT 分析用于航天器热保护系统的设计。由不同体积分数的氧化锆和钛合金 (Ti) 组成的 FGM 的热性能₆ Al ₄ V) 进行评估。从 CHT 分析获得的温度分布表明，功率指数为 1 的 FGM 是热保护系统的良好材料选择。