高超声速飞行器防热结构烧蚀行为数值模拟方法研究

发布时间：2017-12-10 22:15

  本文关键词：高超声速飞行器防热结构烧蚀行为数值模拟方法研究

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【摘要】：飞行器高速穿越大气层时,其表面结构会受到严重的气动加热,需在飞行器外部进行热防护,热防护结构会有不同程度的烧蚀发生。烧蚀引起的外形变化及其数值模拟,对飞行器热防护结构的设计具有重要的意义。常用的烧蚀型面后退模拟方法有：自适应网格技术、生死单元法等,但均有缺陷。自适应网格能保证烧蚀表面的光滑,但仅适用于小烧蚀量模拟,当烧蚀量较大时,网格严重畸变,会导致发散不收敛而计算中断。生死单元法通过删除单元来实现烧蚀后退,能模拟大烧蚀量问题,但计算出的烧蚀表面呈现凹凸锯齿状,致使二次载荷严重失真。本文基于ABAQUS,通过编程网格重构实现热防护结构烧蚀模拟,程序通过不断生成新的inp文件来实现烧蚀表面的连续退移。由每个时间步的热分析结果算出烧蚀表面新位置,通过单元重构、恢复边界等技术重构出新烧蚀表面,再施加新的热载荷继承上一步结果计算,依次循环。针对飞行器热防护结构的烧蚀问题,本文提出一种新方法用来实现模拟烧蚀后退问题。分别为六面体单元重构技术与四面体网格边界恢复技术。这种方法能够准确处理烧蚀移动边界问题。不受烧蚀量大小的限制,且能保证重构出的烧蚀表面的光滑均匀。六面体单元重构技术根据单元节点的温度状态分成九大类,对每一类再细分情况,细分为多种情况,进行节点消除和重构处理。对于非规则四面体网格,在生死单元法基础上,生成新单元重构新烧蚀型面。根据烧蚀后退率计算出处于烧蚀区域的网格单元,对横跨烧蚀表面的单元进行温度插值,布置新节点,并以此新节点作为重划分基点,精确定位出烧蚀边界表面。其次,用所提出的单元重构方法对处于烧蚀型面附近的单元进行重构,进而准确光滑均匀地预测出每一时间步长上的烧蚀退缩表面。除针对温度准则型烧蚀模型外,本文还提出了一种处理退移烧蚀型面的方法,通过生成“虚拟温度”以重构拟合,不但对凸表面,对凹烧蚀表面同样适用。数值算例表明,本文方法及所编程序可快速实现烧蚀表面退缩全程的数值模拟,能模拟大烧蚀量问题,且所计算出的烧蚀退缩表面精确光滑均匀,便于和气动热分析软件进行耦合迭代计算。此外,根据烧蚀特点,本文使用初始网格作为基础网格,只对处于烧蚀表面区域的局部单元进行重构,其余部分网格不变,具有较高的计算效率。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V244.1

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本文编号：1276089