高超声速热流固多物理场计算研究

发布时间：2017-10-16 04:01

  本文关键词：高超声速热流固多物理场计算研究

  更多相关文章： 高超声速 气动热 热流固耦合 多物理场

【摘要】：高超声速气动热的预测以及飞行器热防护系统的设计目前已成为科研人员和工程设计人员极为关切的前沿问题。当飞行器以高超声速飞行时,由于激波效应和气体的粘性作用,机体周围空气温度迅速升高,产生了气动加热现象。与此同时,气动加热所带来的大量热量以热传导、热辐射的形式传递至结构内部,使结构温度升高,产生结构热应力和热应变。因此,本论文针对高超声速气动热数值模拟以及热流固多物理场一体化计算进行了研究。首先,本论文针对高超声速气动热计算以及多物理场的非定常计算进行了文献调研,对已有的研究进展和研究方法做了总结,提出了本文所要采用的理论和仿真计算方法,包括考虑多组分气体下的完全Navier-Stockes方程,基于结构网格有限体积法的数值求解方法,以及用于高超声速流动的初始条件、边界条件和流动初始化。其次,开展了钝锥外形、双椭球外形和空天飞机外形的气动热数值模拟,分别了研究不同飞行高度对化学反应速率和表面压力系数分布的影响,研究了不同飞行速度与攻角对气动加热的影响,研究了对称面中心线和机翼上下表面的气动热分布,较为清晰地掌握了高超声速流场特性。研究结果显示飞行高度越高,空气越稀薄,化学反应速率越低；飞行高度的改变对表面压力系数分布影响不大；飞行速度和攻角的变化对表面气动热分布有较大影响。以上仿真过程都取得了与文献相吻合的结果,验证了本文计算方法的有效性,并为热流固多物理场耦合分析奠定了基础。最后,阐述了多物理场一体化计算以及流固耦合面数据传递理论方法。围绕高超声速圆柱绕流的风洞实验,利用多物理场仿真计算方法,研究了圆柱在Ma=6.47时的非定常多物理场耦合变化情况,比较了考虑热流固耦合后对流场、结构温度场以及应力场的影响。研究结果显示多物理场耦合仿真计算壁面温度、结构的温度场及应力有比较大的影响。
【关键词】：高超声速 气动热 热流固耦合 多物理场
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V211;V244.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-15
• 1 绪论15-25
• 1.1 研究背景与意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-24
• 1.2.1 高超声速气动热研究现状17-21
• 1.2.2 流场-热-结构一体化数值模拟研究现状21-24
• 1.3 本文研究内容24-25
• 2 高超声速飞行器气动热数值模拟方法25-44
• 2.1 多组分气体NS方程25-33
• 2.1.1 直角坐标下控制方程组25-28
• 2.1.2 热力学模型和化学反应动力学模型28-29
• 2.1.3 气体输运系数计算29-31
• 2.1.4 无量纲形式31-32
• 2.1.5 坐标转换32-33
• 2.2 时间迭代方法33-37
• 2.2.1 控制方程离散33-35
• 2.2.2 插值方法与差分格式35-37
• 2.3 LU-SGS隐式差分格式37-42
• 2.3.1 LU-SGS法37-40
• 2.3.2 化学源项处理40-41
• 2.3.3 时间步长计算41-42
• 2.4 初始边界条件42-43
• 2.4.1 虚拟网格与流场初始条件42
• 2.4.2 边界条件42-43
• 2.4.3 流场初始化43
• 2.5 本章小结43-44
• 3 典型外形高超声速气动热流场数值模拟44-67
• 3.1 球锥体流场计算44-52
• 3.1.1 模型简述44-45
• 3.1.2 网格划分与边界条件45
• 3.1.3 仿真结果与分析45-52
• 3.2 椭球流场计算52-61
• 3.2.1 模型简述52-54
• 3.2.2 网格划分与边界条件54
• 3.2.3 仿真结果与分析54-61
• 3.3 空天飞机模型流场计算61-65
• 3.3.1 模型简述61-62
• 3.3.2 网格划分与边界条件62
• 3.3.3 仿真结果与分析62-65
• 3.4 本章小结65-67
• 4 高超声速圆柱绕流热-流-固一体化计算67-82
• 4.1 多物理场耦合理论67-70
• 4.1.1 流-热耦合计算理论67
• 4.1.2 热-固耦合计算理论67-69
• 4.1.3 有限元分析方法69-70
• 4.2 耦合方法70-72
• 4.2.1 强耦合70-71
• 4.2.2 弱耦合71-72
• 4.3 耦合面网格映射与数据传递72
• 4.4 高超声速圆柱绕流流场计算72-75
• 4.4.1 模型简介72-73
• 4.4.2 网格划分73
• 4.4.3 仿真结果与分析73-75
• 4.5 圆柱绕流多物理场耦合仿真75-81
• 4.5.1 流场分析结果75-76
• 4.5.2 温度场分析结果76-78
• 4.5.3 结构场分析结果78-81
• 4.6 本章小结81-82
• 5 总结与展望82-85
• 5.1 本文总结82-83
• 5.2 展望83-85
• 参考文献85-88
• 附录88-89
• 个人简历89

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张志成,陈伟芳,石于中;超声速、高超声速球锥组合体表面压强估算方法及其应用[J];国防科技大学学报;2001年04期

2 王宗;高超声速技术[J];军民两用技术与产品;2002年09期

3 康文;;美国高超声速研制计划新进展[J];国际航空;2007年05期

4 陈湘玲;朱爱平;;意大利和澳大利亚合作开展高超声速技术研究[J];飞航导弹;2009年10期

5 康开华;才满瑞;伍赣湘;童雄辉;;美国高超声速技术飞行器[J];航天制造技术;2010年01期

6 丛敏;魏国福;;俄罗斯继续研制高超声速推进系统[J];飞航导弹;2010年02期

7 王自勇;牛文;李文杰;;2012年美国高超声速项目进展及趋势分析[J];战术导弹技术;2013年01期

8 王一琳;杨博;魏国福;周军;;美国高超声速技术组织管理体系研究[J];飞航导弹;2013年04期

9 丛敏;美国的高超声速导弹计划[J];飞航导弹;1999年08期

10 李俊;杨水锋;陈文兵;;涡轮基组合动力水平起降高超声速战略打击模式探讨[J];燃气涡轮试验与研究;2013年06期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 李素循;;前言[A];高超声速前沿问题研讨班[C];2002年

2 唐志共;;高超声速技术发展对地面试验的要求和现状分析[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（下册）[C];2001年

3 叶友达;王振亚;卢笙;张涵信;张来平;;高超声速吸气式飞行器数值模拟研究[A];第四届《海峡两岸计算流体力学学术研讨会》论文集[C];2003年

4 朱辉玉;杨弼杰;孙泉华;樊菁;;飞行高度对高超声速模型飞行器气动性能影响的计算分析[A];第四届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2011年

5 姜宗林;韩桂来;俞鸿儒;;吸气式高超声速推进技术研究的进展、问题与思考[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年

6 王军旗;李素循;孙茂;;高超声速层流干扰流场数值模拟[A];中国力学学会学术大会'2005论文摘要集（上）[C];2005年

7 周勇为;易仕和;陈植;陆小革;葛勇;朱杨柱;;高超声速静风洞设计和调试[A];第十三届全国实验力学学术会议论文摘要集[C];2012年

8 樊菁;;高超声速流动研究进展[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年

9 刘伟雄;白菡尘;;高超声速研究对地面设备能力的需求[A];高超声速前沿问题研讨班[C];2002年

10 樊菁;;高超声速高温气体效应判据[A];第二届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2009年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 赵彦;研究高超声速技术[N];中国航天报;2002年

2 李大光;高超声速技术让武器快如闪电[N];中国国防报;2011年

3 温坤;欧美高超声速运输机研究进展[N];中国航空报;2011年

4 中国航天科工集团公司三院310所研究员 李文杰　助理工程师 牛文;从“快速全球打击”看美国高超技术发展[N];中国航天报;2012年

5 丹丹;高超声速点燃美军激情[N];中国航空报;2011年

6 空军装备研究院 王治 牛文博 马光军;高超声速试验缘何屡遭失败[N];科技日报;2012年

7 ;高超声速 美国之外的三股势力[N];中国航空报;2013年

8 黄志澄;高超声速技术方兴未艾[N];大众科技报;2006年

9 谢文娇;美国防部发射高超声速试验飞行器[N];中国航空报;2010年

10 晓丽;美国研制新型高超声速无人机武器系统[N];中国航空报;2003年

中国博士学位论文全文数据库 前7条

1 肖丰收;若干典型高超声速激波干扰流动特性研究[D];中国科学技术大学;2016年

2 彭钧;高超声速巡航飞行器乘波布局设计研究[D];南京航空航天大学;2007年

3 潘勇;高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D];南京航空航天大学;2007年

4 范培蕾;多目标优化方法及其在高超声速试飞器系统中的应用研究[D];国防科学技术大学;2009年

5 李海燕;高超声速高温气体流场的数值模拟[D];中国空气动力研究与发展中心;2007年

6 张向洪;高超声速流场电磁干扰数值模拟研究[D];南京航空航天大学;2013年

7 陈小庆;高超声速滑翔飞行器机动技术研究[D];国防科学技术大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 杨武;高超声速壁板流固热耦合建模与分析[D];南京航空航天大学;2015年

2 徐飞;高超声速翼面的流固热多场耦合分析[D];南京航空航天大学;2015年

3 雷明达;高超声速流场与黑障减缓的仿真研究[D];电子科技大学;2016年

4 苏雪;高超声速热流固多物理场计算研究[D];浙江大学;2016年

5 孙冬阳;基于动态结构FLN的高超声速再入机动控制研究[D];南京航空航天大学;2016年

6 高建力;高超声速飞行器气动特性估算与分析[D];西北工业大学;2007年

7 李晓宇;高超声速乘波构形初步设计与分析[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年

8 陈金球;高超声速巡航飞行器弹道优化[D];西北工业大学;2007年

9 江志国;高超声速巡航飞行器雷达散射及操稳特性研究[D];西北工业大学;2007年

10 卢晓杨;高超声速流场与结构温度场耦合计算研究[D];南京航空航天大学;2009年

，

本文编号：1040477