攻角下高超声速弹头气动热和温度场的计算与研究

发布时间：2020-07-13 18:53

【摘要】：针对高超声速领域出现的“热障”问题,精确预测高超声速弹头气动热和温度场变得非常重要。本文采用弹头外部气动热工程算法与弹头内部结构传热的数值计算相耦合,用于攻角状态下高速弹头气动热环境的快速预测。并研究基本外形的弹头气动传热特性,所得结果能够为高超声速弹头气动热防护设计提供技术支持和参考。弹头外部基于普朗特边界层理论,采用工程方法计算边界层外无粘流场,修正牛顿理论和普朗特-麦耶尔公式计算弹头表面压力,通过弹头激波后气体参数采用等熵膨胀法确定边界层外缘参数。基于参考焓法下的热流经验公式,采用等价锥法和轴对称比拟法进行表面热流密度分布的计算。结合弹头材料属性,基于非结构化网格的有限体积法对非稳态导热方程进行数值离散,模拟弹头内部结构传热。将表面气动热工程算法和内部结构传热数值计算耦合,可得到高超声速弹头气动加热过程中任意时刻的表面热流密度分布和弹头温度场分布。首先,选取典型的球锥弹头模型进行算例验证,并分析攻角对弹头气动热环境的影响。然后根据遵头的基本外形,对比尖锥弹,小钝度球锥弹和大钝度球锥弹头气动热环境,分析弹头前缘对气动热的影啊；对比锥体外形和曲线回转体外形弹头气动热环境,分析弹头外形对气动热的影响。最后选取球双锥弹头模型进行算例验证,通过与实验数据的对比,对拐点区域做线性拟合,对比拐点不同的三种球双锥弹头气动热环境,分析拐点移动对钝双锥气动热的影响。验证典型球锥弹算例,说明两种工程方法能够准确预测球锥弹气动热环境,满足工程设计的需求；由于攻角的影响,发现迎风面热流密度远远大于背风面热流密度,弹体表面和弹体内部的等温线发生倾斜。增加尖的前缘相当于弹头增加一段高温区,而且会导致弹体整体热流和温度增加；曲线回转体型弹头锥面部分热流密度提高,温升较快,弹体整体温度有一定的提高,幅度较小。通过对拐点区域热流做线性拟合,修正后的方法能够准确预测球双锥弹气动热环境。双锥拐点前移,导致前锥体温升较快,而后锥体温升较慢,双锥拐点后移恰好相反；选择合适的拐点位置可以减小弹头驻点的最高温度,有助于改善气动热环境。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ760

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本文编号：2753840