过渡区飞行器流场的数值模拟研究

论文摘要

相对于某固定尺寸的飞行器,根据气体的稀薄程度不同,可以将大气分为:低空高密度的连续流区,高空极低密度的自由分子流区和介于两者之间的过渡区。飞行于过渡区中的飞行器可以称为过渡区飞行器。随着航空航天事业的发展,越来越多的新型飞行器出现在过渡区中,其周围流场的大部分区域或局部区域存在着明显的稀薄效应,甚至可能出现连续流和稀薄流混合的复杂流场。为了适应这些过渡区飞行器的发展,需要对它们周围的流动问题进行深入研究。本文重点围绕过渡区飞行器所遇到的特殊流动问题,建立相应的数值计算程序,对其进行模拟研究,同时也讨论部分流动机理问题和工程方法的适应性问题。首先,建立了CFD/DSMC混合计算程序,首次对在高空过渡区飞行的火箭模式激光推进器周围的高温连续/稀薄混合流场进行了数值模拟研究,并与低空大气吸气模式激光推进器周围的连续流场作对比。研究发现,过渡区火箭模式流场中,激波厚度明显增加,激波传播速度加快,推力产生提前,得到的比冲大于800s;另外,高温效应则减慢了激波传播速度,延迟了推力的产生,并导致冲量耦合系数和比冲降低。之后,采用DSMC方法,对过渡区稀薄环境下的激波反射规律进行了数值模拟研究,分析了稀薄效应对马赫数变化引起的迟滞现象以及马赫杆高度的影响。研究表明,在本文给定的条件下,存在一个临界努森数,当来流努森数小于该值时,会发生正规反射到马赫反射的转捩,反之则无;另外,随着努森数的增加,马赫反射中的马赫杆高度呈近似线性降低。最后,分析了sine-squared和erf-log两种桥函数在一般超音速过渡区气动特性系数计算方面的适应性问题。研究发现,随着飞行马赫数的降低,sine-squared桥函数的精度明显下降,而erf-log桥函数始终保持很好的精度。建议采用erf-log桥函数,计算以低超音速飞行的亚轨道飞行器的过渡区气动特性系数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 流动分区
• 1.1.2 流动模型
• 1.1.3 飞行高度分区
• 1.1.4 过渡区飞行器流场中存在的流动问题
• 1.1.5 过渡区飞行器流场的数值模拟方法和工程计算方法
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 激光推进器的研究现状
• 1.2.2 CFD/DSMC 混合方法的研究现状
• 1.2.3 激波反射问题的研究现状
• 1.2.4 桥函数方法的研究现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第2章 物理模型和数值方法
• 2.1 速度分布函数和Boltzmann 方程
• 2.2 连续流方程和数值方法
• 2.2.1 Euler 方程
• 2.2.2 数值方法
• 2.3 稀薄流方法和物理模型
• 2.3.1 DSMC 方法
• 2.3.2 分子间碰撞模型
• 2.3.3 内能的激发与松弛
• 2.3.4 壁面条件处理
• 2.4 CFD/DSMC 混合方法
• 2.4.1 交界面位置和连续介质失效参数
• 2.4.2 交界面两侧的信息传递
• 2.5 CFD/DSMC 混合程序的验证
• 2.5.1 CFD 方法与DSMC 方法计算结果对比
• 2.5.2 流场计算分区
• 2.5.3 CFD/DSMC 混合方法与DSMC 方法计算结果对比
• 2.6 本章小结
• 第3章 激光推进器周围连续/稀薄混合流场的数值模拟
• 3.1 物理模型
• 3.1.1 低空连续流区飞行时大气吸气模式的简化模型
• 3.1.2 高空过渡区飞行时火箭模式的简化模型
• 3.2 计算分区和数值方法
• 3.3 计算条件
• 3.4 低空连续流区大气吸气模式周围流场的数值计算结果
• 3.4.1 激光点火前的定常冷流场
• 3.4.2 激光点火后的流场演化过程（完全气体模型）
• 3.4.3 激光点火后的流场演化过程（平衡气体模型）
• 3.5 高空过渡区大气吸气模式周围冷流场的数值计算结果
• 3.6 高空过渡区火箭模式周围流场的数值计算结果
• 3.6.1 激光点火前的定常冷流场
• 3.6.2 激光点火后的流场演化过程（完全气体模型）
• 3.6.3 激光点火后的流场演化过程（平衡气体模型）
• 3.7 冲量耦合系数和比冲
• 3.7.1 利用数值结果计算冲量耦合系数和比冲
• 3.7.2 冲量耦合系数的分析公式
• 3.8 本章小结
• 第4章 过渡区稀薄效应对激波反射的影响
• 4.1 激波反射类型和迟滞现象
• 4.2 稀薄效应对迟滞现象的影响
• 4.2.1 迟滞现象的DSMC 模拟结果
• 4.2.2 稀薄效应对激波反射类型分区的影响
• 4.3 稀薄效应对马赫杆高度的影响
• 4.3.1 马赫杆高度随努森数的变化
• 4.3.2 分析稀薄效应导致马赫杆高度变化的原因
• 4.4 本章小结
• 第5章 一般超音速过渡区气动特性的桥函数方法研究
• 5.1 桥函数
• 5.1.1 sine-squared 桥函数
• 5.1.2 erf-log 桥函数
• 5.2 自由分子流理论
• 5.3 牛顿压力系数公式及其修正公式
• 5.3.1 牛顿流模型
• 5.3.2 牛顿压力系数的修正公式
• 5.4 DSMC 模拟圆柱和钝头双楔体绕流
• 5.4.1 DSMC 计算结果
• 5.4.2 壁面压力系数、摩擦力系数和热传导系数
• 5.5 构造桥函数关系式
• 5.5.1 构造sine-squared 桥函数关系式
• 5.5.2 构造erf-log 桥函数关系式
• 5.6 马赫数对桥函数适应性的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果