高超声速飞行器热环境仿真模拟分析

发布时间：2020-04-12 02:25

【摘要】：高超声速飞行器具有快速反应能力、精准打击能力、作战空间广阔、作战突防能力等军事战略优势,它是航空航天的一个重要发展方向,在未来国防安全中担任着重要角色。当飞行器在大气中高速飞行时,一方面遭受空气的极大阻力,另一方面引起了前方空气的猛烈压缩和附近空气剧烈的摩擦,巨大的热能由动能转变而来,使得飞行器表面和附近空气的温度迅速升高。产生的高温直接影响飞行器的结构强度和内部设备的正常工作,因此精准预测飞行器的气动热环境成为飞行器设计的重要研究工作。全文基于计算流体力学CFD理论与ANSYS仿真软件进行研究,运用ANSYS FLUENT软件计算获得模型外流场的温度、压力、密度、速度等物理参数的分布,选取ANSYS中的Steady-State、Static-Structural模块与FLUENT建立接口,将流场结果导入进行耦合模拟计算,获得结构场的物理参数分布。本课题围绕两个经典算例(二维圆管和三维球头钝锥)进行研究,通过模拟结果与参考文献中数据对比,验证了计算方法的可靠性。以二维圆管为例,建立了完整的气动热计算方法,基于模型外流场的计算结果,进一步研究了气动热对结构特性的影响。针对二维圆管模型的局限性,对于流场刻画能力不如三维模型,直观的三维图有助于复杂流场的研究,又以三维球头钝锥为例进行更深一步的研究。重点分析了不同飞行速度、飞行高度、飞行攻角对气动热环境的影响,基于模型计算结果与文献实验数据对比,进一步研究了气动热对三维结构特性的影响,对模型的温度场特性和结构场特性进行了深入研究。本文应用ANSYS仿真模拟软件,建立完整的气动热耦合模拟计算方法,完成对高超声飞行器的热环境进行了仿真模拟研究,计算结果均得到验证,计算方法高效、准确、可靠。该研究成果为飞行器的结构设计和热防护设计提供了一定的理论基础和数据支撑。
【图文】：

具体表现在以下几个方面[44-45]：图 2.1高超声速流场的物理特征示意图2.1.1薄激波层激波层是指激波和物面间气体流动的区域，在气流偏转角不变的条件下，激波层内的密度增量随来流马赫数的增加而增大。这是由于来流马赫数的增加，使得激波增强，波后气体所受压力增高，气体密度增大。根据质量守恒定律，在高速流动过程中，激波紧贴飞行器表面，使得激波层的厚度变得非常小。2.1.2熵层高超声速飞行器大多数会做成钝头体，这是因为可以有效减弱热载荷，其原理是依据边界层方程的自由相似解。在高超声速流场中，钝头体头部附近形成具有很大的熵梯度的流体，称为“熵层”。这是因为在头部附近的激波非常弯曲，从而使得不同位置的流线的熵增不一样。根据Crocco定理：

9究，也就是耦合计算问题。下面将用钝头体为例，对飞行器外部热环境中传热问题的说明。如图2.2所示，，流场中，气流速度变化最大的区域为飞行器的最前端部分，即驻点区域，极大部分动能转化为内能，使得流体温度急剧升高。当飞行器飞行速度极高时，甚至超越第二宇宙速度时，此时在进行热环境计算时，就要加入驻点区高温气体的辐射作用。在驻点区的下方，边界层内主要传热形式包含热传导和扩散传热。对飞行器外部流场进行气动加热计算过程中，求解边界层气动加热计算是全文计算的主要工作。图 2.2钝体绕流场中传热形式对流传热计算，经常用到的无量纲的传热系数，分别是斯坦顿数St与努赛尔数Nu，两者的定义如下：uhquCTqStwpw （2.3）hqCLTqLNuwpw （2.4）式中
【学位授予单位】：中原工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V411.8;V444.3

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 周正阳;解静;张莽;李小艳;;高超声速飞行器转捩特性及表面特征研究[J];导弹与航天运载技术;2016年06期

2 胡冬冬;刘晓明;张绍芳;李文杰;叶蕾;;2016年国外高超声速飞行器技术发展综述[J];战术导弹技术;2017年01期

3 孙文;王刚;姚小强;王晶晶;;临空高超声速飞行器目标特性分析[J];火力与指挥控制;2017年01期

4 郭行;符文星;付斌;陈康;闫杰;;吸气式高超声速飞行器巡航段突防弹道规划[J];宇航学报;2017年03期

5 孙文;王刚;郭相科;王晶晶;;临空高超声速飞行器多传感器协同探测体系[J];空军工程大学学报(自然科学版);2016年06期

6 张绍芳;叶蕾;;国外高超声速飞行器及技术发展综述[J];中国航天;2016年12期

7 欧阳金栋;刘慧慧;邓进;陈雷;龚仔华;;高超声速飞行器结构热防护技术现状综述[J];教练机;2017年01期

8 ;新书推荐[J];大飞机;2017年03期

9 王勇;张艳;白辰;傅瑜;檀朋硕;;吸气式高超声速飞行器制导与控制方法综述[J];兵器装备工程学报;2017年04期

10 桂业伟;刘磊;代光月;张立同;;高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发[J];航空学报;2017年07期

相关会议论文 前10条

1 龙双丽;刘杰;;高超声速推进系统几何构型对高超声速飞行器布局的影响分析[A];探索 创新 交流（第7集）——第七届中国航空学会青年科技论坛文集（下册）[C];2016年

2 王俊山;;临近空间高超声速飞行器热结构材料研究与应用现状[A];第十九届全国复合材料学术会议摘要集[C];2016年

3 杨鹏飞;方洋旺;刘云霞;伍友利;;面向随机控制的弹性高超声速飞行器建模[A];第36届中国控制会议论文集（A）[C];2017年

4 贺元元;吴颖川;贺伟;张小庆;刘伟雄;乐嘉陵;;高超声速飞行器一体化气动性能预测方法[A];第八届全国高超声速科技学术会议论文摘要集[C];2015年

5 李海林;吴德伟;张斌;;高超声速飞行器飞行机理与特性研究[A];第八届全国高超声速科技学术会议论文摘要集[C];2015年

6 张小庆;吕金洲;贺伟;;高超声速飞行器脉冲风洞测力系统分析研究[A];第八届全国高超声速科技学术会议论文摘要集[C];2015年

7 张建宏;汤柏涛;陆红;;组合动力高超声速飞行器概念方案初步研究[A];第八届全国高超声速科技学术会议论文摘要集[C];2015年

8 张栋;唐硕;佘文学;邓帆;郭健;;吸气式高超声速飞行器射流推力矢量控制技术研究综述[A];第八届全国高超声速科技学术会议论文摘要集[C];2015年

9 梁捷;秦开宇;陈力;梁频;;高超声速飞行器气动/控制一体化优化设计研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

10 李海波;张正平;吴振强;程昊;刘宝瑞;孔凡金;;高超声速飞行器结构热振动噪声耦合分析与试验方法研究[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年

相关重要报纸文章 前10条

1 刘都群;美国空军正在为高超声速飞行器寻求前缘材料[N];中国航空报;2017年

2 中国航天科工三院301所 木林森;高超声速飞行器:天下武功 唯快不破[N];中国航天报;2017年

3 蜂鸟;胎死腹中的X-20高超声速飞行器[N];中国航天报;2017年

4 栗清海;美澳合作高超声速飞行器意欲何为？[N];中国航天报;2017年

5 廖孟豪;美国研制GO Launcher 1高超声速飞行器[N];中国航空报;2017年

6 徐晖;美国加快高超声速飞行器研制[N];中国航空报;2009年

7 空军指挥学院 姜明远　姜苈峰 仇潇;高超声速飞行器影响未来战争[N];中国社会科学报;2014年

8 轩立新;临近空间高超声速飞行器电磁窗关键技术探索研究[N];中国航空报;2015年

9 廖孟豪;美国高超声速飞行器发展路线图[N];中国航空报;2015年

10 姚强;神秘的俄罗斯“4202”工程[N];中国航天报;2016年

相关博士学位论文 前10条

1 彭坚;临近空间高超声速飞行器电源系统故障预测与健康管理关键技术研究[D];国防科学技术大学;2014年

2 熊柯;高超声速飞行器巡航控制技术研究[D];国防科学技术大学;2012年

3 罗世彬;高超声速飞行器机体/发动机一体化及总体多学科设计优化方法研究[D];国防科学技术大学;2004年

4 刘燕斌;高超声速飞行器建模及其先进飞行控制机理的研究[D];南京航空航天大学;2007年

5 车竞;高超声速飞行器乘波布局优化设计研究[D];西北工业大学;2007年

6 黄得刚;高超声速飞行器路径规划、制导与控制研究[D];西北工业大学;2016年

7 王婕;弹性高超声速飞行器跟踪问题控制方法研究[D];天津大学;2014年

8 李宪强;高超声速飞行器耦合控制及安全控制研究[D];西北工业大学;2015年

9 刘磊;高超声速飞行器热气动弹性特性及相似准则研究[D];中国空气动力研究与发展中心;2014年

10 李晓宇;高超声速飞行器一体化布局气动外形设计[D];国防科学技术大学;2007年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘洪泉;高超声速飞行器热环境仿真模拟分析[D];中原工学院;2018年

2 朱国梁;高超声速飞行器建模和控制[D];哈尔滨工业大学;2017年

3 姜定国;面向不确定条件下的高超声速飞行器的控制技术研究[D];南京航空航天大学;2017年

4 申玉叶;高超声速飞行器机理建模及特性分析[D];天津大学;2014年

5 王颂超;高超声速飞行器纵向动力学问题研究[D];南京航空航天大学;2013年

6 徐华松;高超声速飞行器机体/发动机一体化设计研究[D];西北工业大学;2006年

7 范中国;高超声速飞行器遥测发送系统的研究和实现[D];电子科技大学;2017年

8 田聪聪;基于直接参数化方法的高超声速飞行器姿态控制[D];哈尔滨工业大学;2017年

9 王长龙;基于滑模控制的高超声速飞行器控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2016年

10 甄武斌;基于耦合分析方法的高超声速飞行器协调一体化控制[D];南京航空航天大学;2017年

本文编号：2624157