高超声速飞行器两相羽流场特性研究

论文摘要

高超声速飞行器在气体稀薄的近空间飞行时,由火箭发动机产生的喷流将形成气体-颗粒共存的两相流场。这种气体-颗粒共存的两相流场对飞行器的气动载荷分布将产生影响,同时由于颗粒的存在,流场辐射特性也将会发生变化,亟需预估稀薄环境中的两相流效应。而国内外现有工作大多围绕气相处于连续介质范畴的两相流进行研究,对于气相处于稀薄状态下的气-粒两相流动的研究还有待进一步发展。本文将主要围绕高超声速飞行器稀薄两相羽流场展开研究。首先,研究了稀薄条件下喷流对流场的干扰特性。利用Gambit软件生成网格,采用DSMC算法数值模拟了喷流对来流流场的干扰。通过对典型外形喷流流场以及针对复杂外形的喷流流场的数值模拟,得到了稀薄条件下喷流与来流相互作用的规律以及流场结构。其次,研究了稀薄条件下气-粒两相羽流场的流场结构。在喷流流场研究的基础上,进一步研究了稀薄条件下考虑气-粒两相流的DSMC算法。主要对气-粒两相相互作用模型、颗粒的碰撞、聚合分离模型以及气-粒相变模型进行了研究,并利用DSMC方法编写了相关程序进行数值模拟,完善了稀薄气-粒两相流的作用模型。最后,研究了稀薄两相羽流场的颗粒辐射模型。在气-粒两相流流场结构研究的基础上,利用得到的气-粒两相流流场参数作为辐射场的初始参数,开展了稀薄气-粒两相流颗粒辐射模型的研究,编写了稀薄条件下辐射模型的DSMC程序,模拟了高空稀薄条件下两相羽流中考虑颗粒辐射的情况,得到了流场的颗粒辐射数据并进行了分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 喷流研究概述
• 1.3 气-粒两相流动研究概述
• 1.4 羽流红外辐射特性研究概述
• 1.5 本文主要工作
• 第二章 高超声速稀薄气体流动的DSMC 方法研究
• 2.1 直接模拟蒙特卡洛（DSMC）方法
• 2.1.1 DSMC 方法基本思想
• 2.1.2 DSMC 方法实现过程
• 2.2 DSMC 方法的正确性验证
• 2.3 DSMC 方法数值验证算例
• 2.3.1 计算条件描述
• 2.3.2 计算结果分析
• 2.4 本章小结
• 附图
• 第三章 高超声速横向喷流的DSMC 数值模拟
• 3.1 横向喷流的研究背景及研究难点
• 3.2 典型外形喷流流场DSMC 数值模拟
• 3.2.1 模型及计算区域描述
• 3.2.2 网格描述
• 3.2.3 计算条件描述
• 3.2.4 计算结果分析
• 3.3 针对复杂外形的喷流流场数值模拟
• 3.3.1 模型描述
• 3.3.2 网格描述
• 3.3.3 计算条件描述
• 3.3.4 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 附表图
• 第四章 高超声速稀薄流气-粒两相流动研究
• 4.1 气-粒相互作用模型
• 4.2 颗粒碰撞、聚合分离模型
• 4.3 适用于Monte Carlo 模拟的颗粒相变模型
• 4.4 二维气-粒两相流流场数值模拟
• 4.5 本章小结
• 附表图
• 第五章 稀薄两相羽流颗粒辐射模型研究
• 5.1 颗粒辐射研究背景
• 5.2 稀薄两相羽流Monte Carlo 颗粒辐射模型
• 5.3 稀薄两相羽流颗粒辐射算例描述
• 5.4 颗粒辐射模型计算结果分析
• 5.5 稀薄两相羽流颗粒辐射模型综合分析
• 5.6 本章小结
• 附表图
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果