基于流线跟踪法的气动热工程计算研究

论文摘要

本论文进行基于流线跟踪法的高超声速飞行器气动热的计算与分析。基于普朗特的边界层理论,将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导的区域。用CFD方法求解无粘流场得到气流边界层外缘参数,用表面流函数的方法得到流线的精确分布;在理论与半经验公式的基础上进行高超声速气动热的计算。首先,对国内外发展的各种高超声速气动热的数值计算方法与工程算法进行了系统的分析、归类和比较,明确各种方法的原理、适用范围、精确度与不足之处等。本文运用了表面流函数的概念,并通过理论推导,得到了表面流函数与表面流线的关系;然后运用结构化网格求解三维Euler方程,计算得到高超声速飞行器的边界层外缘无粘流场气流参数;最后利用无粘流场气流参数和表面流函数的方法计算了高超声速飞行器的精确表面流线分布。计算结果表明,在有攻角和无攻角的情况下均可以得到较好的结果,为进一步精确预测高超声速飞行器表面的气动加热奠定了基础。在边界层内部,基于已有的流线分布,在小横向流近似和高冷壁假设下,采用相似性方法、参考焓方法、局部相似性等方法来确定飞行器表面的气动加热。通过对有详尽实验数据的钝双锥模型的计算,结果与经典的热流公式和实验数据进行对比,证明本方法具有一定的精度,适用于高超声速飞行器概念研究和初步设计阶段。本文的工作实现了数值计算与工程方法的耦合,采用这种方法计算表面热流分布,既克服了纯工程算法难以求解复杂外形物面参数的缺点,计算量又小于纯数值算法,具有一定的工程实用价值,为热环境的预测提供了依据,可以作为“高超声速气动热快速计算软件”的不可或缺的一部分。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景、研究目的及意义
• 1.2 高超声速流动的流场特性
• 1.3 高超声速气动热计算的国外研究现状
• 1.3.1 数值计算方法
• 1.3.2 工程方法
• 1.4 高超声速气动热计算的国内研究现状
• 1.4.1 数值计算方法
• 1.4.2 工程方法
• 1.5 数值方法与工程方法计算气动热的比较
• 1.5.1 数值方法的特点与不足
• 1.5.2 工程方法的特点与不足
• 1.6 本文的主要工作
• 1.7 本文的创新点
• 第二章 边界层外的数值计算方法
• 2.1 高超声速飞行器的流体力学模型
• 2.1.1 数值计算中的假设
• 2.1.2 网格生成
• 2.1.3 数学模型
• 2.1.4 边界条件的处理
• 2.1.5 流体物性的处理
• 2.2 高超声速钝头体模型算例分析
• 2.2.1 计算模型及边界条件设置
• 2.2.2 数值模拟结果及分析
• 2.3 高超声速钝双锥模型算例分析
• 2.3.1 计算模型及边界条件设置
• 2.3.2 数值模拟结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 高超声速无粘表面流线的生成计算
• 3.1 无粘表面流线计算的常用方法介绍
• 3.1.1 跟踪流线法
• 3.1.2 几何流线法
• 3.2 本文无粘流线的求解方法
• 3.2.1 表面流函数生成流线的推导
• 3.2.2 钝体表面流线的生成计算
• 3.2.2.1 预估流出点
• 3.2.2.2 对预估流出点进行修正
• 3.3 流线处理技术
• 3.3.1 驻点单元的求取方法
• 3.3.2 伪驻点单元的鉴别
• 3.3.3 有攻角情况下驻点单元的求取
• 3.3.4 流函数连续累加问题
• 3.3.5 网格处理中大单元与重复单元问题
• 3.3.6 鞍点单元流线的处理
• 3.4 高超声速飞行器表面流线示意图
• 3.4.1 高超声速钝头体模型流线计算
• 3.4.2 高超声速钝双锥模型流线计算
• 3.5 本章小结
• 第四章 高超声速气动热的计算与分析
• 4.1 本文高超声速气动热计算方法介绍
• 4.1.1 利用无粘数值结果确定边界层外缘参数
• 4.1.2 利用正激波后的等熵条件确定边界层外缘参数
• 4.1.3 小横向流近似和高冷壁假设
• 4.1.4 局部相似性方法
• 4.1.5 参考焓方法
• 4.1.6 高温空气物性的修正
• 4.2 本文气动热计算方法
• 4.2.1 钝体绕流高超声速层流边界层方程驻点相似解和局部相似解
• 4.2.1.1 层流边界层基本方程和边界条件
• 4.2.1.2 方程的变换和变换后的边界条件
• 4.2.1.3 平衡边界层方程的驻点解
• 4.2.1.4 平衡层流边界层的非驻点相似解
• 4.2.2 零攻角高超声速飞行器热环境
• 4.2.2.1 驻点加热
• 4.2.2.2 本文驻点热流的求解
• 4.2.2.3 非驻点加热
• 4.2.3 有攻角轴对称体飞行器热流密度
• 4.3 高超声速钝双锥气动热计算与分析
• 4.3.1 驻点区域热流计算
• 4.3.2 非驻点区域热流计算
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 对研究工作的总结
• 5.2 对研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者攻读硕士学位期间发表论文