考虑防热层的高速火箭弹气动热计算

发布时间：2020-11-01 07:18

　　 本文对高超声速复杂外形火箭弹进行了气动热防护的计算与研究。通过工程算法和数值算法耦合求解复杂外形火箭弹的气动热参数,然后将气动热参数与防热层结构传热耦合计算得到非稳态状态下防热层的温度分布规律。高超声速气动热计算是高超声速流动研究中的一个难题,目前,气动热的计算方法主要有工程算法与纯数值算法。工程算法精度较高,但不适用于复杂外形的气动热防护计算;求解Navier-Stokes方程的纯数值算法对复杂外形具有很好的适应性,且具有一定的计算精度,但是对计算机要求很高、计算效率低且计算时间长。本文以两种方法的优势为基础,采用无粘外流数值解作为边界层外缘参数,而边界层内的气动加热通过工程算法计算,发展出了一套适用于高速复杂外形且计算成本较低、精度较高的气动热快速计算方法。本文方法主要分三部分,首先采用纯数值方法计算无粘外流数值解,基于有限体积法实现欧拉方程的数值离散,空间离散采用二阶迎风Roe格式,时间离散选择五步Runge-Kutta时间离散格式;其次,应用工程算法求解边界层内的热流密度,边界层内的热流密度计算分为驻点和非驻点两个区域,驻点区域采用Fay-Riddell热流计算公式,非驻点区域选用平板热流密度计算公式,工程算法的边界层外缘参数由纯数值无粘外流解提供;最后,采用一维导热假设,忽略防热层之间的接触热阻,将工程算法得到的热流密度作为求解导热微分方程的边界条件,实现结构传热和气动加热的耦合,最终得到长航时条件下防热层的温度分布规律。本文首先针对经典钝锥模型的气动热环境进行了计算,并将钝锥表面热流密度与实验数据进行对比,得到了与实验结果相吻合的结果,验证了本文无粘外流解与工程算法相耦合的气动热快速计算方法的有效性;其次,针对平板导热问题,应用一维导热方程进行了数值模拟,并将计算结果与解析解做了对比研究,结果表明本文一维导热计算方法具有很高的精确性;最后,计算了考虑防热层的高超声速火箭弹的气动热环境,分析了防热层最外层导热系数和主防热层热扩散率对火箭弹的气动加热的影响规律。对复杂外形火箭弹的分析结果表明本文的计算方法能很好的满足工程计算要求,提出的影响规律能够为高超声速气动热防护提供一定的参考依据。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ415
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 纯数值算法国内外研究现状
        1.2.2 工程算法国内外研究现状
        1.2.3 数值算法和工程算法耦合算法的国内外研究现状
        1.2.4 气动加热耦合结构传热的国内研究现状
    1.3 本文研究主要内容
2 高速火箭弹外边界层外缘参数计算方法
    2.1 数值计算与计算流体力学
        2.1.1 数值算法与计算流体力学的发展
        2.1.2 数值算法的特点
        2.1.3 计算流体力学控制方程
        2.1.4 数值计算的方法和分类
    2.2 网格的生成
    2.3 外流场参数计算
        2.3.1 边界层外无粘流控制方程
        2.3.2 离散方程求解
        2.3.3 空间离散格式
        2.3.4 时间离散格式
    2.4 外流场参数计算算例分析
        2.4.1 二维模型算例
        2.4.2 三维模型算例
    2.5 本章小结
3 考虑防热层结构的气动热参数计算
    3.1 网格的生成
    3.2 考虑防热层的复杂外形火箭弹的气动热参数计算
        3.2.1 火箭弹边界层外缘参数数值计算
        3.2.2 驻点位置的确定
        3.2.3 驻点热流密度求解
        3.2.4 非驻点区域热流密度求解
        3.2.5 防热层的导热微分方程
    3.3 防热层材料的选取和求解假设
    3.4 平板导热算例分析
    3.5 钝锥算例分析
        3.5.1 钝锥几何模型
        3.5.2 钝锥飞行环境
        3.5.3 边界层外缘参数计算
        3.5.4 钝锥表面热流密度计算
        3.5.5 考虑防热层的钝锥气动热计算
    3.6 本章小结
4 考虑防热层的复杂火箭弹的气动加热影响规律的研究
    4.1 复杂火箭弹结构模型与网格划分
    4.2 考虑防热层的复杂外形火箭弹气动热计算
    4.3 零攻角时带防热层的复杂外形火箭弹算例分析
        4.3.1 零攻角时火箭弹的外流场参数
        4.3.2 复杂外形火箭弹的结构传热
    4.4 考虑攻角时带防热层的复杂外形火箭弹算例分析
        4.4.1 考虑攻角时火箭弹的外流场参数
        4.4.2 有攻角时火箭弹的结构传热
    4.5 本章小结
5 总结与展望
    5.1 全文总结
    5.2 研究展望
致谢
参考文献

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本文编号：2865200