高超声速飞行器关键部件的多物理场耦合研究

发布时间：2017-10-07 05:14

  本文关键词：高超声速飞行器关键部件的多物理场耦合研究

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【摘要】：吸气式高超声速飞行器在飞行时所经历的气动环境非常复杂,流-固-热多物理场耦合现象突出,因此,针对其典型部件开展多物理场耦合研究对飞行器的设计与控制具有重要意义。本文采用基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Solid Dynamics)的多物理场耦合方法,将流场求解器FLUENT与结构/热求解器ABAQUS耦合起来,通过耦合接口软件MpCCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)实现物理场间数据的交换与耦合流程的控制,并选取三个高超声速飞行器关键部件,依次对其开展相应的多物理场耦合分析。首先,依次选取超声速壁板颤振问题与Ma 6.47圆柱绕流问题为校核对象,通过与理论分析结果、具体实验数据进行对比,验证了基于MpCCI的CFD/CSD方法在超/高超声速条件下流固、气热耦合计算的准确性。然后,开展了针对单边膨胀喷管移动板结构的流固耦合研究,重点关注不同板长(150,180mm)与板厚(5,7mm)下流固耦合效应对喷管气动性能的影响。计算结果表明:板厚相同时(5mm),较短移动板的气动性能较差,但动态性能较好:升力减小9.9%,而响应时间缩短44.7%;当移动板长度相同时(180mm),较厚的板同时拥有好的气动与动态性能:稳态升力提高0.98%,冷热态俯仰力矩差减小10.5%,且响应时间减小40.4%。其次,开展了针对TBCC排气系统转级板的流固耦合研究,计算结果表明:在涡轮侧高压的作用下,转级板向下振动且最大振幅达到3.58mm,占转级板总长的0.89%。但在阻尼的耗能作用下,转级板的振幅不断减小并最终达到动态稳定状态,稳定后转级板Tip点向下位移1.88mm。转级板的振动同时引起了TBCC排气系统气动性能的变化,达到动态稳定状态后,推力、升力、俯仰力矩值分别增加0.68%、2.82%、5.86%。此外,还详细讨论了耦合过程中流场的演化过程,分析了转级板的流固耦合作用机理,并指出了排气系统气动性能变化的原因。最后,开展了针对支杆-钝体结构的气热耦合研究,比较了不同支杆长度下(L/D=1、1.5、2、2.5)钝体表面的温度分布以及热流向结构内的动态传播规律,分析了壁温的升高对外流场以及钝体阻力系数的影响。计算结果表明:较长的支杆拥有更好的热防护性能,即钝体表面最高温度较低,同时钝体表面以及结构内部的温度升高也较为缓慢。此外,随着耦合过程的进行,逐渐升高的壁温使得近壁面附面层流动发生变化,进而引起钝体结构阻力系数的改变,以L/D=2.5为例,20s后其阻力系数降低了5.7%。
【关键词】：多物理场耦合 流固耦合 气热耦合 动态响应特性 CFD/CSD串行双向耦合
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V219
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注释表13-14
• 第一章 绪论14-22
• 1.1 研究背景及意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-20
• 1.2.1 流固耦合研究现状15-18
• 1.2.2 气热耦合研究现状18-19
• 1.2.3 高超声速条件下多物理场耦合研究现状19-20
• 1.3 本文主要工作20-22
• 第二章 耦合数值算法22-29
• 2.1 流场求解方法22-23
• 2.1.1 流场控制方程与求解22-23
• 2.1.2 流场动网格控制23
• 2.2 结构动力学/热传导计算方法23-25
• 2.2.1 结构动力学求解23-25
• 2.2.2 结构热传导求解25
• 2.3 耦合计算方法25-28
• 2.3.1 耦合边界条件26
• 2.3.2 时域耦合方法26-27
• 2.3.3 空间耦合方法27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 耦合算法校核29-40
• 3.1 流固耦合算法校核29-35
• 3.1.1 算例描述29-30
• 3.1.2 临界马赫数理论求解30-31
• 3.1.3 临界马赫数数值求解31-35
• 3.2 气热耦合算法校核35-39
• 3.2.1 算例描述35
• 3.2.2 计算模型与结果35-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第四章 单边膨胀喷管移动板流固耦合研究40-49
• 4.1 耦合计算模型40-42
• 4.1.1 流场计算模型40-41
• 4.1.2 结构计算模型41-42
• 4.2 数值计算准确性分析42-43
• 4.3 计算结果与分析43-48
• 4.3.1 板长 180mm时的动态响应43-46
• 4.3.2 不同调节位置时的动态响应对比46-47
• 4.3.3 移动板厚度对流固耦合响应的影响47-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第五章 TBCC排气系统转级板流固耦合研究49-62
• 5.1 耦合计算模型49-52
• 5.1.1 流场计算模型49-51
• 5.1.2 结构计算模型51-52
• 5.2 数值计算准确性讨论52-54
• 5.3 计算结果及分析54-60
• 5.3.1 稳态流场分析54
• 5.3.2 流固耦合动态过程分析54-58
• 5.3.3 流固耦合对排气系统性能的影响58-60
• 5.4 本章小结60-62
• 第六章 支杆钝头体结构气热耦合研究62-77
• 6.1 耦合计算模型63-65
• 6.1.1 几何模型63
• 6.1.2 流场计算模型63-64
• 6.1.3 结构计算模型64-65
• 6.2 数值计算准确性分析65-66
• 6.3 计算结果分析66-75
• 6.3.1 初始流场特征66-68
• 6.3.2 气热耦合分析68-72
• 6.3.3 减阻性能影响72-75
• 6.4 本章小结75-77
• 第七章 结论与展望77-80
• 7.1 结论77-78
• 7.2 展望78-80
• 参考文献80-88
• 致谢88-89
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文89

【参考文献】

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本文编号：987104