高超音速钝体头部气动加热和壁板气动热弹性数值计算

发布时间：2017-08-19 17:31

  本文关键词：高超音速钝体头部气动加热和壁板气动热弹性数值计算

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【摘要】：空问飞行器的现代化设计需要获取有关流场、气动特性和热传递过程的精确和可靠的数据。考虑到飞行器在高超音速飞行过程中流场状况复杂多样,真实气体稀薄理论,粘性无粘性相互作用的影响,以及流动分离,层紊流过度,飞行器表面上发生的物理和化学过程等因素都需要考虑进去。通过实验室或者飞行试验获取必要的信息需要高昂的费用,并且在地面往往难以再现高超声速飞行环境,因此超音速流模拟是非常重要的。利用数值计算,可以用相对较小的成本获得比较详细的流场数据,并有可能重现许多流动环境,包括无法靠地面实验设施实现的流动环境。在飞行器设计上存在的一个主要问题就是高超声速飞行器表面的对流传热(气动加热)问题。考虑到实际问题的复杂性,应当选取合适的物理模型和数值方法来研究。本文基于计算流体力学CFD理论和ANSYS Workbench仿真平台,通过ANSYS FLUENT有限元软件数值仿真了高超声速球头-圆锥体弹丸的气动加热,通过计算得到并分析了其在不同时刻的结构和流场温度场分布和弹丸表面热流密度分布的状况。本文还进一步地研究了高温风洞实验中的圆柱绕流问题,采用1/4的2D圆柱模型来代替,数值模拟后得到圆柱壳体在2s、3s、4s、5s时刻的结构温度分布和速度分布云图,并与实验数据对比,误差较小从而进一步论证了CFD方法模拟此类气动加热问题的准确性。壁板颤振是发生在飞行器蒙皮壁板或壳上的一种非稳定气动热弹性自激振动。本文研究了高超声速飞行下,带有静态和动态边缘可动性效应的蒙皮壁板的气动热弹性问题。本文通过无限长的二维弯曲面板的几何非线性理论推导了气动热弹性控制方程,文中对气动力进行建模的方程是基于三阶活塞理论的。本文采用基尔霍夫板状假说连同冯·卡门非线性应变-位移关系,使用伽辽金方法对超音速／高超音速非定常流作用下的有几何缺陷的弯曲面板进行了数值模拟。在壁板温度连同材料力学性能的热降解对颤振马赫数和频率的影响的结果中显示随着温度振幅的增大,颤振马赫数和颤振频率都会降低。此外,此模型还考虑了热降解的影响。对于在有热降解情况下随着曲率比变化的结果显示(1)随着质量比的增大,颤振马赫数也会降低；(2)随着几何缺陷的增大,颤振速度会有较大的降低；(3)曲率比相对较小时,有较大厚度比的板会显示出颤振速度的增大。本文的计算结果正确可信,在关于飞行器的气动加热和气动热弹性研究方面具有一定的参考意义。
【关键词】：高超音速 气动加热 气动热弹性 CFD 数值模拟 颤振 几何缺陷 热降解
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V415.3
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-18
• 1.1 本课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 气动加热和气动热弹性概述11-13
• 1.2.1 气动加热概述11
• 1.2.2 气动弹性概述11-12
• 1.2.3 壁板颤振概述12-13
• 1.3 国内外研究现状13-16
• 1.3.1 国外研究概况13-15
• 1.3.2 国内研究概况15-16
• 1.3.3 气动热弹性的发展展望16
• 1.4 本文的研究目的16-17
• 1.5 论文的主要研究内容17-18
• 2 计算流体力学(CFD)数值方法18-34
• 2.1 CFD理论18-19
• 2.2 控制方程19-22
• 2.3 湍流模型22-29
• 2.3.1 S-A湍流模型25-26
• 2.3.2 标准κ-ε湍流模型26-27
• 2.3.3 RNGκ-ε湍流模型27-28
• 2.3.4 SSTκ-ω湍流模型28-29
• 2.4 初始条件和边界条件29-32
• 2.4.1 压力远场边界条件30-31
• 2.4.2 对称边界条件31
• 2.4.3 物面边界条件31-32
• 2.5 离散格式32
• 2.6 本章小结32-34
• 3 气动加热数值计算研究34-48
• 3.1 球头-圆锥体弹丸气动加热研究34-41
• 3.1.1 传热模型34-35
• 3.1.2 初始条件和边界条件35
• 3.1.3 计算方法35
• 3.1.4 计算结果及分析35-41
• 3.2 圆柱绕流气动加热研究41-44
• 3.2.1 计算模型41
• 3.2.2 初始条件和边界条件41
• 3.2.3 计算方法41-44
• 3.3 CFX处理高超声速弹丸气动加热研究44-46
• 3.4 本章小结46-48
• 4 壁板颤振的气动热弹性研究分析48-62
• 4.1 非线性气动热弹性壁板建模49-54
• 4.1.1 初始条件和边界条件49-51
• 4.1.2 独立于时间和温度的结构阻尼51-52
• 4.1.3 气动载荷52-53
• 4.1.4 非线性气动热弹性支配方程53-54
• 4.2 Galerkin法和直接数值积分法54-55
• 4.3 数值结果及讨论55-61
• 4.3.1 数值确认56
• 4.3.2 线性气动热弹性分析56-61
• 4.4 本章小结61-62
• 5 本文工作总结与研究展望62-64
• 5.1 工作总结62-63
• 5.2 研究展望63-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-70

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本文编号：702032