钝头体前置整流锥高超声速绕流分析

论文摘要

飞机或可重复使用航天器在高超声速飞行时将面临严重的气动加热和激波阻力。考虑到气动加热问题,高超声速飞行器大都采用钝头体,但钝头体头部的气动加热现象依然非常严重,并且钝头体前形成的脱体弓形激波使钝头体承受很大的激波阻力。在钝头体头部安装整流锥,使原有的脱体弓形激波被整流锥产生的圆锥激波所取代,便在钝头体前形成了回流区,流场变得异常复杂。本文在前人所做整流锥试验和数值模拟的基础上,展开了以下几个方面的工作：1)数值模拟了不同锥头形状以及不同长径比(l／D)下带整流锥钝头体在高超声速下的绕流,通过分析带整流锥的钝头体绕流流场,对整流锥头部形状(分别为尖头锥、圆头锥和平头锥)以及长径比对钝头体的热防护和减阻作用进行了讨论。研究发现：当l／D≤2.0时,尖头锥对钝头体的热防护效果比较显著,且l／D值越大其热防护作用越好；平头锥对钝头体的减阻效果比较显著,且l／D值越大平头锥的减阻作用越好。2)在攻角为5°,l／D=1.0时,模拟分析了锥体形状分别为尖头、平头和圆头的带整流锥钝头体的高超声速绕流流场。研究发现,在5。攻角内,整流锥对钝头体的热防护和减阻也是有作用的,并且钝头体迎风面上的温度和压力比背风面上的温度和压力稍大。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 高超声速飞行器热防护概述
• 1.2 机械整流锥国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 计算流体力学基础
• 2.1 流场控制方程
• 2.1.1 连续介质假设
• 2.1.2 质量守恒方程
• 2.1.3 动量守恒方程
• 2.1.4 能量守恒方程
• 2.1.5 状态方程
• 2.1.6 积分形式的N-S方程
• 2.2 有限体积法
• 2.3 层流与湍流知识简介
• 2.4 湍流模型
• 2.5 SST湍流模型
• 2.5.1 k-ω湍流模型
• 2.5.2 SST湍流模型
• 2.5.3 Gamma-Theta转捩模型
• 2.6 近壁区流动的模拟
• 2.7 本章小结
• 第3章 整流锥高超声速绕流的计算
• 3.1 相关试验简介
• 3.1.1 美国兰利研究中心试验
• 3.1.2 日本东京大学试验
• 3.2 试验的数值模拟
• 3.2.1 控制方程和数值方法
• 3.2.2 数值模拟的模型
• 3.2.3 计算采用的网格
• 3.3 数值模拟结果
• 3.3.1 钝头体数值模拟结果
• 3.3.2 l=0.5D时的数值模拟结果
• 3.3.3 l=1.0D时的数值模拟结果
• 3.3.4 l=2.0D时的数值模拟结果
• 3.3.5 分析与讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 整流锥高超声速绕流流场分析
• 4.1 零攻角下带锥钉钝头体的高超声速流场
• 4.1.1 尖头锥情况
• 4.1.2 平头锥情况
• 4.1.3 圆头锥情况
• 4.2 α=5°带锥钉钝头体的高超声速流场
• 4.2.1 尖头锥情况
• 4.2.2 平头锥情况
• 4.2.3 圆头锥情况
• 4.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢