弧形翼及翼身组合体在超高速下的空气动力学特性研究

论文摘要

随着现代飞行器的飞行速度不断增加,高超声速气动力和气动加热已经成为高超声速飞行器发展的重要研究课题。本文开展了弧形翼及翼-身组合体在超高速下的空气动力学特性研究。采用计算流体动力学软件FLUENT对弧形翼及翼-身组合体在超高速下的三维绕流流场进行了数值模拟,对不同滚转角下的弧形翼-身组合体进行了风洞试验研究,同时对弧形翼在超高速下的气动加热过程进行了数值模拟。首先建立了研究弧形翼在超高速下空气动力学特性的数学模型。数值方法采用三维守恒型、可压缩、非定常粘性流体雷诺平均N-S方程为控制方程,离散格式采用二阶迎风格式。针对高超声速流下的数值模拟,引入了AUSM+格式,降低了数值耗散性,提高了间断分辨率和计算精度。湍流模型采用雷诺应力湍流模型。采用了非一致网格技术建立了弧形翼-身组合体的网格模型,既满足了不同分区网格的疏密要求和粘性计算要求,又降低了计算网格量。采用本文所研究的计算程序和数值格式,对弧形翼在超高速下的三维绕流流场进行了数值模拟。获得了合理的流场结构信息和气动力数据,重点分析了弧形翼在零攻角下产生升力的机理,以及弧形翼气动力特性随马赫数、攻角的变化规律,同时研究了翼前缘削尖角角度、翼的曲率对弧形翼气动力特性的影响。对弧形翼-身组合体三维绕流流场进行了超高速下的数值模拟,详细研究了远场流场参数、攻角等因素对超高速弧形翼-身组合体流场结构及气动力特性的影响规律。对弧形翼-身组合体进行了不同滚转角下的超声速风洞试验,获得了合理的风洞试验纹影图和风洞试验数据,与数值模拟得到的流场结构波谱图和气动力计算结果进行比较,两者比较吻合,验证了本文所研究的数值计算程序是正确可行的,计算精度具有较高的可信度。建立了弧形翼在超高速下气动加热的计算模型,把形式上相对独立的流场和结构的控制方程联系起来,采用流场、热、结构耦合的-体化数值模拟方法求解了弧形翼超高速下的气动加热过程,获得了弧形翼在不同马赫数、攻角下的气动加热特性。本文的研究工作对我国进行大长细比、超高速的飞行器空气动力学问题研究具有一定的指导意义,同时为弧形翼的理论研究和工程应用设计提供了参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表目录
• 主要符号说明
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 弧形翼的空气动力学特点
• 1.1.2 研究的背景及意义
• 1.2 计算流体力学的发展、现状和前景
• 1.3 气动加热研究现状
• 1.3.1 国外气动加热研究状况
• 1.3.2 国内气动加热研究状况
• 1.4 国内外弧形翼的研究进展
• 1.4.1 国外弧形翼研究进展
• 1.4.2 国内弧形翼研究进展
• 1.4.3 弧形翼的数值模拟研究进展
• 1.5 本文的主要内容和组织结构
• 1.5.1 论文主要研究内容
• 1.5.2 论文的组织结构
• 2 计算模型及方法研究
• 2.1 计算模型
• 2.1.1 单片弧形翼计算模型
• 2.1.2 弧形翼-身组合体计算模型
• 2.2 网格生成技术
• 2.2.1 分区结构网格
• 2.2.2 非一致网格
• 2.3 计算方法
• 2.3.1 FLUENT软件简介
• 2.3.2 基本控制方程
• 2.3.3 雷诺应力湍流模型
• 2.3.4 AUSM+格式的应用
• 2.3.5 边界条件
• 2.4 数值验证
• 2.4.1 DERA翼-身组合体的超声速流场数值模拟
• 2.4.2 带探针的高超声速导弹外流场数值模拟
• 2.5 本章小结
• 3 单片弧形翼超高速下的空气动力学特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型及方案
• 3.3 单片弧形翼的流场特性分析
• 3.3.1 零攻角下弧形翼的流场特性分析
• 3.3.2 有攻角下弧形翼的流场特性分析
• 3.4 单片弧形翼片的空气动力学特性分析
• 3.4.1 弧形翼零攻角产生升力的原因
• 3.4.2 标准TTCP弧形翼的气动力分析
• 3.4.3 曲率对弧形翼气动特性的影响
• 3.4.4 翼前缘削尖角角度对弧形翼气动力的影响
• 3.4.5 厚度对弧形翼气动力的影响
• 3.5 本章小结
• 4 弧形翼-身组合体超高速下的空气动力特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型及条件
• 4.3 弧形翼-身组合体超高速下的流场特性分析
• 4.3.1 有攻角条件下的流场结构分析
• 4.3.2 有偏航角条件下的流场结构分析
• 4.4 弧形翼-身组合体的空气动力学特性分析
• 4.4.1 弧形翼-身组合体气动力特性计算
• 4.4.2 有攻角情况下的气动力特性分析
• 4.4.3 有偏航角情况下的气动力特性分析
• 4.4.4 有滚转角情况下的气动力特性分析
• 4.5 弧形翼-身组合体的风洞试验研究
• 4.5.1 试验内容和模型
• 4.5.2 风洞试验条件和装置
• 4.5.3 试验结果处理
• 4.5.4 试验误差分析
• 4.6 本章小结
• 5 弧形翼气动加热研究
• 5.1 引言
• 5.2 气动加热研究方法
• 5.2.1 气动加热基本理论
• 5.2.2 工程计算方法
• 5.2.3 数值研究方法
• 5.3 弧形翼的气动加热数值模拟
• 5.3.1 弧形翼气动加热计算模型
• 5.3.2 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 论文总结
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录