高超声速飞行器气动热和表面瞬态温度计算研究

论文摘要

高超声速飞行器是未来重要的飞行工具,严重的气动热是高超声速飞行器初步设计中需要攻克的关键技术问题之一。采用数值方法预测气动热,可以给出飞行器表面详细的热流密度分布,但目前还存在一些难点问题,如高超声速流动的湍流模型、近壁网格尺度、数值格式引入的人工粘性问题都会对高超声速流动的数值计算结果带来很大影响。同时数值求解高超声速流动换热问题计算量大,目前还无法满足设计初期对全轨道点气动热数据的实际工程要求。试验研究耗费的人力、物力、财力巨大,且实验周期长。因此,在高超声速飞行器初步设计和防热材料选择时,发展一套有效的,快捷的工程计算方法具有相当重要的现实意义。本文研究是针对“高超声速气动加热及表面瞬态温度工程计算程序开发”的课题要求展开的,目的是研究和发展能准确预测高超声速飞行器表面热流和瞬态温度的工程算法,以及开发完整的计算软件,为高超声速飞行器设计提供准确的热环境特性,为热防护系统选材设计提供依据。本文主要做了以下几方面的工作:（1）对国内外高超声速飞行器气动加热计算方法进行了研究和总结。本文飞行器物面压力分布采用修正牛顿法、切劈/切锥法和普朗特-迈耶等工程方法确定。边界层外缘参数的计算方法可以采用完全气体模型和平衡气体模型。对完全气体,利用等熵条件和理想气体状态方程确定边界层外缘参数;对平衡气体,利用等熵条件和高温输运特性公式确定边界层外缘参数。（2）基于参考焓方法,采用经典热流密度计算公式,分别计算了驻点以及非驻点区层流和湍流的表面热流和瞬态温度分布,利用等效锥法考虑攻角影响,以钝锥为算例对计算方法进行了验证,结果表明计算结果与实验值吻合良好。（3）高超声速气流经过钝锥体飞行器后,将产生强烈的弓形激波,因此,必须考虑熵层影响,本文提出可采用激波形状质量守恒方法和求解总压力的方法确定物面热流分布。（4）在以上算法基础上,开发了完整的高超声速飞行器表面热流和瞬态温度计算软件。本文研究能够为高超声速飞行器气动热和表面瞬态温度研究提供可靠、简捷的计算方法。尤其对于高超声速飞行器全轨道飞行,瞬态气动热和表面温度计算,可大大节约计算时间,从而减少成本,因此,本文方法在航空航天领域应用前景可观。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状综述
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究主要内容
• 第二章 高超声速飞行器物面压力和外缘参数计算
• 2.1 高超声速流动的主要特征
• 2.1.1 薄激波层
• 2.1.2 熵层
• 2.1.3 粘性干扰
• 2.1.4 高温流动和真实气体效应
• 2.1.5 高空、高超声速流动存在低密度效应
• 2.2 气体热力学状态描述
• 2.2.1 完全气体
• 2.2.2 真实气体
• 2.3 高超声速激波后参数计算
• 2.3.1 正激波后参数计算
• 2.3.2 斜激波后参数计算
• 2.3.3 圆锥激波后参数计算
• 2.4 飞行器物面压力计算
• 2.4.1 修正Newton 理论确定表面压力分布
• 2.4.2 切劈法和切锥法
• 2.4.3 普朗特-迈耶膨胀波法
• 2.5 边界层外缘参数计算
• 2.5.1 针对完全气体边界层外缘参数计算
• 2.5.2 针对平衡气体边界层外缘参数计算
• 2.6 高温空气的热力学特性和输运特性
• 2.7 本章小结
• 第三章 高超声速飞行器气动热和表面瞬态温度计算
• 3.1 参考焓法
• 3.2 零攻角气动热计算
• 3.2.1 驻点气动热计算
• 3.2.2 平板气动热计算
• 3.2.3 球锥面气动热计算
• 3.3 带攻角气动热计算
• 3.4 考虑变熵效应时气动热计算
• 3.4.1 熵层分析及其对热流的影响
• 3.4.2 零攻角变熵流表面热流计算
• 3.4.3 带攻角变熵流表面热流计算
• 3.5 瞬态温度计算
• 3.5.1 壁面温度对气动热的影响
• 3.5.2 瞬态壁面温度计算
• 3.6 本章小结
• 第四章 高超声速气动热和表面瞬态温度计算软件开发
• 4.1 软件开发基本框图
• 4.2 程序运行流程
• 4.2.1 输入数据
• 4.2.2 大气参数计算
• 4.2.3 激波后参数和物面压力计算
• 4.2.4 驻点热流和壁温计算
• 4.2.5 非驻点区热流和壁温计算
• 4.2.6 计算结果输出
• 4.3 本章小结
• 第五章 算例分析
• 5.1 驻点气动热计算
• 5.2 球头钝锥气动热计算
• 5.2.1 轴向热流结果分析
• 5.2.2 周向热流结果分析
• 5.2.3 攻角对热流的影响
• 5.2.4 不同半锥角对气动热的影响
• 5.3 变熵效应对热流密度的影响
• 5.4 表面瞬态温度计算
• 5.5 本章小结
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步工作研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文