火星进入舱气动热的数值模拟

发布时间：2017-10-29 09:17

  本文关键词：火星进入舱气动热的数值模拟

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【摘要】：自20世纪60年代,人类就开始了对火星的探索,21世纪,登陆火星会成为深空探测最重要的目标之一。火星探测器进入火星大气层的过程与地球再入有-定相似之处,然而由于火星大气成分与地球大气成分存在差异,探测器周围发生的物理化学变化也会随之不同。地面模拟火星大气进入过程困难重重,制约了探测器气动布局和热防护系统的发展。为了获得火星进入舱在进入火星大气层过程中的气动特性,本文主要取火星探路者号探测器(MPF)的外形为研究对象,利用CFD-FASTRAN软件对其进行气动热数值模拟。首先,建立带有化学反应源项的高超声速流轴对称数学模型,以Lobb球头柱为例,利用CFD-FASTRAN软件对其进行地球大气的气动热数值模拟,模拟结果与文献吻合良好。接着,对MPF进入火星大气时四个时间点下的二维气动热环境进行数值模拟。通量差分采用一阶Roe的FDS格式,时间离散采用后退欧拉格式。结果表明,探测器进入火星大气层71s后,马赫数不断降低,化学反应的剧烈程度减弱,激波脱体距离显著变大；驻点热流值逐渐降低；肩部以后,流场的加速减压趋势明显；尾部存在亚声速回流,温度略高于肩部以后其他区域;高马赫数下,化学非平衡效应更明显,气体组分变化更剧烈。最后,建立带有化学反应源项的高超声速流三维数学模型,以MPF的外形为研究对象,对其在有攻角(5。,10。,15。,20。)状态下大底处的三维气动热环境进行数值模拟。结果表明,攻角对温度、压强和热流的峰值影响不大,它主要影响驻点的位置,攻角越大,驻点越靠近迎风面的肩部。迎风面会出现两个高热流区,分别在靠近头部和靠近肩部的区域,非迎风面热流明显降低。
【关键词】：火星 进入舱 气动热 数值模拟
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V476.4
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 1 绪论10-19
• 1.1 课题背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-18
• 1.2.1 地球大气的气动热数值模拟14-16
• 1.2.2 火星大气的气动热数值模拟16-18
• 1.3 本文的主要研究工作18-19
• 2 高超声速流的轴对称模型及验证19-32
• 2.1 高超声速流的热化学平衡与非平衡19-21
• 2.1.1 高超声速流的高温真实气体效应19-20
• 2.1.2 热力学平衡与非平衡20-21
• 2.1.3 化学平衡与非平衡21
• 2.2 高超声速流的轴对称数学模型21-24
• 2.3 CFD-FASTRAN软件介绍24-25
• 2.3.1 网格类型24-25
• 2.3.2 Overset/Chimera算法25
• 2.3.3 流动问题25
• 2.4 方法验证25-31
• 2.4.1 化学动力模型25-26
• 2.4.2 计算工况26-27
• 2.4.3 结果与验证27-31
• 2.5 小结31-32
• 3 火星进入舱气动热的轴对称数值模拟32-55
• 3.1 计算工况32-35
• 3.2 计算结果与分析35-53
• 3.3 小结53-55
• 4 火星进入舱气动热的三维数值模拟55-67
• 4.1 数学模型55-56
• 4.2 计算工况56-57
• 4.3 计算结果与分析57-65
• 4.4 小结65-67
• 5 结论及展望67-69
• 5.1 结论67
• 5.2 展望67-69
• 参考文献69-73
• 附录A73-74
• 附录B74-77
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果77-79
• 学位论文数据集79

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本文编号：1112365