热防护机理与烧蚀钝体绕流的涡方法研究

论文摘要

武器系统以及航天飞行器往往在超高温、高过载、高热流、强侵蚀等多项恶劣因素耦合的环境下工作；特别值得关注的,美国X-37B试飞的成功引起世界强国在近空间武器方面的争夺,导致飞行器服役环境愈加严酷,材料的行为及其变化非常复杂。极端环境下热防护机理与模拟理论是建立材料性能考核平台的理论基础,也是搞清这种环境下材料失效本质的前提；目前极端环境试验方法尚不能全过程地反映环境与材料的相互作用,模拟与真实情况之间还存在一定的差距,急需发展热防护理论与模拟方法。基于烧蚀学、材料学、计算流体动力学等多学科理论,本文分析了飞行器的几种热防护特例的机制,发展了涡方法,并对烧蚀圆柱绕流进行了非线性分析；为近空间飞行器热防护性能模拟表征与优化设计提供了理论依据。本文的主要研究成果有：（1）提出“零线烧蚀”,发展了“无烧蚀”概念；并开发了给定流场压力条件下热沉/辐射、发汗类材料零线烧蚀的反演软件,避免了商业软件中反复热解的不合理性,反演得到了零线烧蚀的极限条件。结果表明：无烧蚀是由材料的热物理属性与热环境共同决定,给出了几种无烧蚀防热材料（不考虑氧化）的许用时间表；炭渗铝发汗材料零线烧蚀仅适用于低热流情况。（2）基于热化学、材料物理学等理论,分析了SiO2/P复合材料（酚醛低含量、高含量两种）烧蚀及炭/炭喉衬的烧蚀,并提出了一种烧蚀控制机制判别方法,开发了固体火箭喷管喉衬烧蚀计算软件。（3）基于涡运动理论,发展了一种拉格朗日型流场计算的涡方法；在快速多极子展开法的基础上提出了一种逆向四叉树自适应网格划分技术；利用Fortran/Matlab联合编程分析了几个经典算例。结果表明：逆向四叉树划分技术提高了快速多极子展开法的效率；与已有的成果相比,本文所设计的粘性方程求解方法更加高效,即使将绕流边界划分为较少数量的平板,依然可以快速地得到光滑的边界新生涡和阻力系数曲线以及高精度的涡量云图和流场速度分布。（4）初步探索了涡方法向可压缩流场拓展的问题。给出了以涡量、胀量、密度、熵和焓为基本未知量的二维粘性非稳态可压缩控制方程组,在不同马赫数条件下探讨了对称、非对称旋涡对运动过程中涡量场与胀量场的演化规律。（5）基于涡运动理论、烧蚀理论和混沌理论,建立了烧蚀钝体绕流的数理模型,将涡方法应用于烧蚀绕流分析,对高温高压环境下圆柱的烧蚀与绕流耦合问题进行了数值模拟,并做了混沌识别分析。结果表明：在流场启动初期,烧蚀引起的圆柱外形尺寸改变很小,且流场中涡元还比较少,烧蚀圆柱与无烧蚀圆柱的涡量场并无明显差异；烧蚀圆柱流场的演化要远快于无烧蚀圆柱,旋涡脱落也早于无烧蚀圆柱；烧蚀、无烧蚀圆柱的阻力系数与升力系数演化趋势相同；无烧蚀圆柱的阻力系数、升力系数趋于稳定；随着烧蚀圆柱直径的不断减小,其阻力系数、升力系数震荡剧烈,非线性特征明显；圆柱的绕流与烧蚀是一个从有序到混沌、从混沌到噪声的过程。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 研究进展
• 1.2.1 热防护的研究进展
• 1.2.2 涡方法的研究进展
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 极端环境下的热防护特例分析
• 2.1 引言
• 2.2 零线烧蚀的反演
• 2.2.1 无烧蚀反演
• 2.2.2 自发汗材料的零线烧蚀反演
• 2.3 典型热防护材料的烧蚀分析
• 2.3.1 SiO2/P的零线烧蚀与非零线烧蚀分析
• 2.3.2 C/C复合材料喉衬的烧蚀
• 2.3.3 烧蚀软件的开发
• 2.4 本章小结
• 第3章 涡方法的改进
• 3.1 引言
• 3.2 流场的涡量控制方程
• 3.2.1 二维粘性可压缩流体的控制方程
• 3.2.2 维粘性不可压流体的控制方程
• 3.2.3 涡量输运方程的求解:算子分裂法
• 3.3 涡方法的实现过程
• 3.3.1 控制方程及边界条件
• 3.3.2 涡量场的离散形式
• 3.3.3 固体边界处的新生涡量
• 3.3.4 边界附近涡泡的处理
• 3.3.5 受力计算
• 3.3.6 涡方法的计算流程
• 3.4 对流方程的求解及算法改进
• 3.4.1 快速多极子展开法
• 3.4.2 算例及效率分析
• 3.5 粘性扩散方程的计算及算法改进
• 3.5.1 粘性扩散方程求解Ⅰ:涡核扩散法
• 3.5.2 粘性扩散方程求解Ⅱ:粒子强度交换法
• 3.5.3 两种方法的结合
• 3.6 基于改进涡方法的圆柱绕流数值模拟
• 3.7 可压缩涡方法初探
• 3.8 本章小结
• 第4章 烧蚀圆柱绕流的非线性分析
• 4.1 引言
• 4.2 石墨圆柱的氧化烧蚀
• 4.2.1 化学反应
• 4.2.2 壁面边界条件
• 4.3 烧蚀圆柱绕流与无烧蚀圆柱绕流的比较
• 4.3.1 烧蚀圆柱绕流参数的选用
• 4.3.2 烧蚀绕流与无烧蚀绕流的涡街对比
• 4.3.3 烧蚀绕流与无烧蚀绕流的阻力系数与升力系数对比
• 4.4 非线性时间序列分析方法
• 4.4.1 关联维数
• 4.4.2 时间延迟的选取
• 4.4.3 最大Lyapunov指数
• 4.4.4 混沌特征指标计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 作者简历
• 学位论文数据集