头部钝化的无翼航天器气动性能研究

发布时间：2021-09-09 18:16

　　分别采用N-S方法与DSMC方法对头部钝化的无翼航天器及相应的人工钝头（ABLE）构型进行计算分析,对比了ABLE构型在超声速低空连续流与高超声速高空稀薄流中的气动性能,研究了ABLE构型的减阻增升原理及其在稀薄流中的减阻增升效率。研究结果表明:在超声速低空连续流中,ABLE构型能以较小的热流增加为代价,显著提高升阻比,其增升效率随着迎角的增大而提高,而减阻效率受迎角的影响较小;在高超声速高空稀薄流中,ABLE构型的热流增量较大,但仍能显著提高升阻比,其增升效率随着迎角的增大而提高,且增升效率更高。不同于连续流中的情况,虽然ABLE构型能有效减小波阻,但是增加的湿润面积使得摩擦阻力剧增,从而使得总阻力增大。 

【文章来源】：飞行力学. 2020,38(06)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

基准钝锥(左)与ABLE钝锥(右)

稀薄流中的计算一般采用DSMC方法,本文DSMC计算程序采用美国Sandia国家实验室的Sparta程序。该计算方法不依赖于连续性假设,在计算机中用大量模拟分子代表真实气体分子[10]。通过采样的方法确定每个网格中的粒子状况,并得到模拟区域的流场结果。由于DSMC方法不存在计算不稳定性问题,因此网格划分具有很大的灵活性。根据Bird的经验,网格维度取为Δx～(1/3)λ(λ为网格内气体分子的平均自由程),如此便能得到理想的网格划分。分子间的相互碰撞采用硬球模型(VHS);分子与壁面之间的碰撞选用完全漫反射模型,这是一种以物面温度为平衡条件的非弹性碰撞模型,模拟粒子碰撞物面之后遵循平衡的Maxwell散射。两种程序网格划分情况如图2所示。本文的无量纲参数定义如下:

从图3中可以看出,不同高度网格计算结果差别很小。本文最终选用第一层网格法向高度为1×10-6量级的结构网格进行计算。为证明稀薄流仿真程序的正确性,对文献[11]中的三角锥算例进行了仿真校验(模型和计算状态与文献[11]完全相同),该三角锥模型以及参数如图4所示,采用VHS模型,漫反射壁面,全氮气填充。来流条件如下:远方来流速度V∞=5 640 m/s,单位体积内来流气体分子个数n∞=3.869 20×1020/m3。

【参考文献】：
期刊论文
[1]稀薄气体效应对尖前缘气动热特性的影响研究[J]. 黄飞,张亮,程晓丽,沈清.  宇航学报. 2012(02)
[2]曲形槽道ABLE概念在超声速翼型减阻中的应用[J]. 耿云飞,闫超.  空气动力学学报. 2010(01)
[3]高超声速平板近空间气动特性的计算分析研究[J]. 黄飞,程晓丽,沈清.  宇航学报. 2009(03)
[4]气动热CFD计算的格式效应研究[J]. 李君哲,阎超,柯伦,张书庭.  北京航空航天大学学报. 2003(11)



本文编号：3392556