类X43高超声速飞行器气动力和气动热的数值研究

论文摘要

高超声速技术是当前世界各主要航空航天大国正在积极探讨与研发的关键性技术之一,运用这项技术开发的高超声速飞行器将成为未来航空航天领域飞行器的重要组成部分,而外形和气动热问题贯穿高超声速飞行器研制的始终,本文针对这一问题进行了研究。先对高超声速飞行器的外形优化进行研究。针对三斜波系外部压缩前体,前体和发动机进气道的优化以最大总压恢复系数为参数,后体的优化以推力系数为参数,对类X43高超声速飞行器外形进行优化。在前体的优化过程中,针对求解超越方程存在的困难,本文吸取了数值离散的思想,对前体的第二个楔形角进行离散,通过计算选择最优的角度。接着对模型进行数值计算,发现优化后的模型升阻比增大,热流密度值减少,验证了优化方法具有一定的合理性。为了验证数值方法的正确性,本文对一个具有实验数据的模型进行数值模拟,将计算结果和实验数据进行比较,发现两者在升阻比、飞行器上壁面沿程静压等方面吻合较好,充分证明了数值方法的正确性。最后为了得到更多关于类X43高超声速飞行器流场的信息,对飞行器的三维模型进行数值模拟,三维模型是对优化后的二维升力体模型进行拉伸而得到的。通过数值模拟得到飞行器表面的热流密度分布,通过分析发现飞行器的热流密度极值出现在楔形前体或者发动机内流道,这为飞行器防热结构的设计提供一些有用的信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 高超声速流动的主要特征
• 1.2 吸气式高超声速飞行器的设计特点
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 高超声速飞行器流场数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 流动控制方程
• 2.2.1 流动方程的限制和假设
• 2.2.2 在直角坐标系下的三维守恒方程
• 2.3 气体的热力学属性
• 2.3.1 热力学状态方程
• 2.3.2 气体属性
• 2.4 气体的输运系数
• 2.5 控制方程源项及其参数
• 2.6 k-ε 两方程湍流模型
• 2.7 壁面边界条件
• 2.8 流场的数值解法
• 2.8.1 有限体积和空间离散
• 2.8.2 空间数值方法
• 2.8.3 限制器的使用
• 2.9 本文所采用的数值方法
• 2.10 本章小结
• 第3章 高超声速飞行器外形优化
• 3.1 引言
• 3.2 飞行器机身前体的优化
• 3.3 飞行器机身后体设计
• 3.4 未优化和优化后模型的数值模拟
• 3.4.1 未经过优化的模型的数值模拟
• 3.4.2 优化后的模型的数值模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 数值模拟实验验证和三维流场模拟
• 4.1 引言
• 4.2 实验模型的尺寸和实验进行的条件
• 4.3 数值模拟及结果分析
• 4.4 对飞行器整机的三维数值模拟
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 物理量名称及符号表
• 致谢