飞行器表面温度场及其相似性研究

发布时间：2020-11-02 06:02

　　 随着现代国防科学技术的发展需要以及目标红外辐射特性的应用需求,飞行器表面温度场分析已成为国防军事领域的研究重点。飞行器表面温度场分析需要综合考虑内部多体耦合传热、外部气动对流换热、太阳辐射和环境辐射等内外热环境的耦合作用。数值仿真结合地面模拟试验是目前获取飞行器表面温度场数据的最为经济和可靠的方法,但是由于试验条件限制,难以完全模拟真实飞行环境。因此,对基于相似理论建立适用于飞行器表面温度场的相似准则,实现地面缩比模型与真实飞行器表面温度场数据的相似转换,有着迫切的需求。本文以某型飞机的整体热环境为研究对象,通过建立其外部气动对流换热分析模型与整机热网络模型,开展不同飞行状态下外部气动对流换热计算以及内外耦合作用下飞机表面温度场计算,分析有无、内热源以及不同季节太阳辐射和大气温度对飞机表面温度场的影响,对适用于飞机表面温度场分析的相似准则进行了研究,主要内容包括:飞机表面温度场计算及影响因素分析。基于飞机整体热环境的形成机制和飞机表面温度场分析的基本原理与计算方法,建立了某型飞机外部气动热分析模型与整机热网络模型,完成了飞机外部气动对流换热计算以及内外耦合作用下飞机表面温度场计算,分析了有、无内热源以及不同季节太阳辐射和大气温度对飞机表面温度场的影响。飞机表面温度场相似准则分析。基于飞机表面温度场相似的基本原理,利用流体力学基本方程和传热学基本方程及其边界条件,推导出了适用于飞机表面温度场的流动相似准则和传热相似准则,通过对简单结构原型及其缩比模型的数值模拟计算,验证了飞机表面温度场相似准则的正确性。基于相似准则的飞机表面温度场计算。依据飞机表面温度场相似准则,确定了缩比模型的材料、尺寸及边界条件,计算了不同试验条件下的缩比模型表面温度场,实现了缩比模型与飞机表面温度场数据的相似转换,并与飞机表面温度场计算结果进行了对比,分析了依据飞机表面温度场相似准则指导地面模拟试验的可行性。通过建立某型飞机表面温度场分析模型,完成了飞机表面温度场计算及影响因素分析,建立了飞机表面温度场相似准则,实现了地面缩比模型与真实飞机温度场数据的相似转换,为研究飞机红外辐射特性提供了有效的数据支撑。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V271.4;V219
【部分图文】：

第 2 章 基本原理与计算方法本章主要分析了飞机整体热环境的形成机理和传热机制，介绍了飞机表面度场分析的基本原理和求解思路，提出了用于飞机表面温度场计算的具体方法在此基础上，建立了某型飞机外部气动热分析模型、内部结构几何模型以及整热网络模型。此外，阐明了飞机表面温度场相似的原理，介绍了推导相似准则方法，提出了温度场相似需要满足的条件。2.1 整机热环境的形成机制飞机是一个高度复杂的系统整体，其所处热环境是多区域、多层次耦合作用的结果。探究飞机表面温度场分布，首先要分析其整体热环境的形成机理，明确各物理过程间的传热机制，以建立准确的数理模型。按照几何区域划分，整机热环境可分为外部热环境和内部热环境，两者通过蒙皮互相影响。其中，外部热环境包含对流和辐射换热，内部热环境涵盖导热、对流、辐射多种传热方式，蒙皮内部存在导热，如图 2-1 所示[55]。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 温度场分析的基本原理和求解思路飞机表面温度场是涉及复杂形体下三维瞬态导热、对流换热和辐射换热多层次的动态耦合换热系统，准确地预测其随时间变化的分布规律，必确的理论依据，制定清晰的求解思路，以选择合适的分析方法。根据飞机整体热环境的特点，其表面温度场分析依据传热学基本原理，传热学、计算流体力学、计算空气动力学、计算热辐射学等多种数值计结合的方式求解各传热过程的控制方程。由于飞机的几何结构和传热过杂，利用单一的数值计算软件进行一体化求解，对计算机的要求较高且较低。因此采用多层次区域分解和复杂换热过程解耦的方法，利用不同算软件实现多层次、多区域、多传热过程的求解，如图 2-2 所示。

图 2-3 设备节点热网络模型示意图[59]机内部设备的离散网格系统，如图 2-3 所示程，其中 B、W、E、F、N、S 分别为与节点e、f、n、s 分别为控制体 P 与控制体 B、W( ) P、 z为控制体 P 分别在 x、y、z 三方向上的nz) 、s( z) 分别为体节点 P 与体节点 F、B间隔[t, t+Δt]内对控制容积 P 进行积分，假定均匀的，且假定C P PS S S T。分：0( ) ( )( ) ( ) tP P P P PtTc dxdydzdt c T T x y t 上一个时间步的温度值。的积分分别为：
【参考文献】

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