整流罩地面分离试验流固耦合分析与数值模拟

论文摘要

随着航天技术的不断发展,研制运载火箭技术成为必然,其中运载火箭整流罩的分离技术是一项技术关键,而地面分离试验是其分离研制过程的一个重要阶段。本文以某运载火箭研制为背景,从理论上分析了整流罩地面分离试验的动力学特性及气动阻力作用,并借助商业软件进行了仿真计算。本文根据整流罩的结构特征,对其分离试验过程中的动力学特性进行了理论分析,并利用Lagrange乘子法建立了挠性整流罩分离动力学模型。基于该模型,借助ADAMS软件对整流罩的分离过程进行了仿真,初步得出不计气动作用时整流罩的分离过程及相关特性。由于整流罩的结构尺寸较大,进行地面分离试验时,需要分析周围大气对其分离过程的阻碍作用,以确保地面分离试验与外太空真实分离过程的相似性。本文从气动理论出发,分析了大气阻力的作用机理,建立了整流罩地面分离试验的气动模型。基于该模型,以不计气动阻力作用时整流罩分离过程的运动特性为初始条件,采用弹簧光顺与局部重划相结合的非结构动网格,以及基于有限体积思想的SIMPLE算法,利用商业软件Fluent仿真计算了其分离过程周围大气的阻力作用。将气动作用耦合到动力学仿真分析过程,对流固耦合作用下整流罩分离过程进行了仿真计算。将流固耦合分析的结果,与不考虑气动作用时分离过程的分析结果进行比较,可以分析气动力对分离过程的影响,从而更精确地数值模拟整流罩地面分离试验过程,为地面真实分离试验提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 计算流体力学及网格技术的发展
• 1.3.1 计算流体力学发展现状
• 1.3.2 计算网格技术的发展
• 1.4 流固耦合发展
• 1.5 本文的工作
• 第2章 整流罩地面分离动力学及气动特性
• 2.1 分离模型
• 2.1.1 整流罩模型
• 2.1.2 分离弹簧模型
• 2.1.3 脱钩机构模型
• 2.2 整流罩分离过程及动力学特性
• 2.2.1 整流罩分离方案及运动特性
• 2.2.2 整流罩分离过程描述
• 2.3 地面分离过程中气动作用
• 2.3.1 气动阻力作用机理
• 2.3.2 整流罩地面分离气动特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 挠性整流罩分离动力学模型
• 3.1 坐标系选取和质点位置、速度描述
• 3.2 系统动能描述
• 3.3 弹性体的势能和耗散能
• 3.4 动力学方程的建立
• 3.5 本章小结
• 第4章 非结构动网格的生成
• 4.1 阵面推进法生成非结构网格
• 4.1.1 初始推进阵面的形成
• 4.1.2 网格背景参数的确定
• 4.1.3 空间网格的“颈长”
• 4.1.4 阵面推进法生成空间网格
• 4.1.5 网格质量评价
• 4.1.6 网格的优化
• 4.2 非结构动网格
• 4.2.1 动网格的守恒方程
• 4.2.2 动网格更新方法
• 4.2.3 弹簧光顺模型倔强系数的选取
• 4.3 本章小结
• 第5章 流动数值计算
• 5.1 N-S流动控制方程
• 5.2 控制方程离散
• 5.3 基于SIMPLE的数值计算方法
• 5.4 湍流模型
• 5.5 本章小结
• 第6章 仿真计算
• 6.1 不计气动力作用展开动力学仿真
• 6.1.1 有限元模型
• 6.1.2 分离过程特性参数
• 6.1.3 仿真计算
• 6.2 FLUENT气动仿真
• 6.2.1 计算网格模型
• 6.2.2 设置FLUENT求解环境及参数
• 6.2.3 仿真计算
• 6.3 耦合计算仿真
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢