高超声速飞行器气热弹多场耦合数值模拟

论文摘要

高超声速飞行器具有快速到达、全球打击、破环力大、突防能力强等明显的军事优势,同时其优越的时间经济性预示着巨大的民用市场潜力和财富价值,而成为新时期各国研究关注的热点。目前高超声速技术由美国与俄罗斯主导,澳大利亚、印度、日本、法国、英国等国也投入大量资本和人力。风洞实验是高超声速飞行器研制过程中不可缺少的手段和工具,但风洞试验结果与真实飞行情况存在一定差异。数值模拟结果可以与实验数据相互印证,且能得到比实验更细致、全面的流动信息,有利于问题的及早发现和解决,同时具有较高的时间和成本经济性,而受到各国研究人员的青睐,在高超声速飞行器的项目研究中所占的比重逐渐增大。我国高超声速技术起步较晚,理论与技术基础准备不足,相关研究报道较少,本文充分利用商用数值模拟平台的便利性与经济性对高超声速流动现象、流动机理进行有益探索,为相关研究积累数据和经验。本文共创建了三个实体模型,其中包括著名的X-43A试验飞行器,并成功对其实现参数化,模型修改接受尺寸驱动,更新全程仅需数秒即可完成。并应用ICEM CFD软件对三个飞行器实体模型采用多种划分思路获得高质量网格,细述各网格的拓扑特点、设计思路与质量控制水平和技巧,对今后外型相似的飞行器实体建模和网格生成具有一定的借鉴意义。着重对Model3飞行器模型进行了多种飞行条件下的气动、气热耦合与气热弹耦合计算研究,分析高超声速流动特点、影响因素和结构与流场的相互影响。本文还介绍了国内外高超声速技术的发展现状、主要研究项目进展和飞行器型号及其技术发展历程。概述几何构成基础知识与CAD的现代技术发展现状,在UG三维造型软件平台上探讨几何建模思路与特点。着重介绍了分块结构化网格的优势、分块策略、拼接方式等。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.1.1 高超声速流动的物理和数值求解特点
• 1.1.2 探索高超声速技术的重要意义
• 1.2 国外高超声速技术发展现状
• 1.2.1 空天飞行器
• 1.2.2 临近空间与临近空间飞行器
• 1.3 高超声速飞行器气动弹性、热气动弹性研究现状
• 1.3.1 非定常高超声速气动力学建模
• 1.3.2 高超声速热气动弹性研究
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 数值模拟程序
• 2.2.1 ANSYS
• 2.2.2 CFX
• 2.2.3 FASTRAN
• 2.3 控制方程
• 2.4 湍流模型
• 2.4.1 k - ω模型
• 2.4.2 B - L模型
• 2.5 定解条件
• 2.5.1 边界条件
• 2.5.2 初始条件
• 2.6 网格
• 2.6.1 网格质量评价与改进
• 2.6.2 分块结构化网格
• 2.7 本章小结
• 第3章 几何建模与网格生成
• 3.1 几何建模基础
• 3.1.1 现代CAD系统的主要技术特点
• 3.1.2 几何实体的构成方式
• 3.2 UG NX实体建模导览
• 3.2.1 建模平台–UG NX简介
• 3.2.2 UG NX 6.0的建模模式
• 3.2.3 NX几何建模综述
• 3.2.4 参数化特征建模
• 3.3 飞行器几何建模
• 3.3.1 X–43A高超音速试验飞行器
• 3.3.2 模型二–Model2
• 3.3.3 模型三–Model3
• 3.4 三维几何建模注意事项
• 3.5 网格离散平台–ICEM简介
• 3.6 飞行器网格离散
• 3.6.1 X–43网格生成
• 3.6.2 模型二–Model2网格生成
• 3.6.3 模型三–Model3网格生成
• 3.7 本章小结
• 第4章 计算与分析
• 4.1 Model3计算方案
• 4.2 Model3气动计算
• 4.2.1 CFX气动计算结果与分析
• 4.2.2 FASTRAN气动计算结果与分析
• 4.3 Model3气热耦合计算
• 4.4 Model3气热弹耦合计算
• 4.4.1 CFX气热弹耦合计算结果与分析
• 4.4.2 FASTRAN气热弹耦合计算结果与分析
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果
• 致谢