本文關(guān)鍵詞：高超聲速熱流固多物理場計算研究

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【摘要】：高超聲速氣動熱的預(yù)測以及飛行器熱防護系統(tǒng)的設(shè)計目前已成為科研人員和工程設(shè)計人員極為關(guān)切的前沿問題。當(dāng)飛行器以高超聲速飛行時,由于激波效應(yīng)和氣體的粘性作用,機體周圍空氣溫度迅速升高,產(chǎn)生了氣動加熱現(xiàn)象。與此同時,氣動加熱所帶來的大量熱量以熱傳導(dǎo)、熱輻射的形式傳遞至結(jié)構(gòu)內(nèi)部,使結(jié)構(gòu)溫度升高,產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力和熱應(yīng)變。因此,本論文針對高超聲速氣動熱數(shù)值模擬以及熱流固多物理場一體化計算進行了研究。首先,本論文針對高超聲速氣動熱計算以及多物理場的非定常計算進行了文獻調(diào)研,對已有的研究進展和研究方法做了總結(jié),提出了本文所要采用的理論和仿真計算方法,包括考慮多組分氣體下的完全Navier-Stockes方程,基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法的數(shù)值求解方法,以及用于高超聲速流動的初始條件、邊界條件和流動初始化。其次,開展了鈍錐外形、雙橢球外形和空天飛機外形的氣動熱數(shù)值模擬,分別了研究不同飛行高度對化學(xué)反應(yīng)速率和表面壓力系數(shù)分布的影響,研究了不同飛行速度與攻角對氣動加熱的影響,研究了對稱面中心線和機翼上下表面的氣動熱分布,較為清晰地掌握了高超聲速流場特性。研究結(jié)果顯示飛行高度越高,空氣越稀薄,化學(xué)反應(yīng)速率越低；飛行高度的改變對表面壓力系數(shù)分布影響不大；飛行速度和攻角的變化對表面氣動熱分布有較大影響。以上仿真過程都取得了與文獻相吻合的結(jié)果,驗證了本文計算方法的有效性,并為熱流固多物理場耦合分析奠定了基礎(chǔ)。最后,闡述了多物理場一體化計算以及流固耦合面數(shù)據(jù)傳遞理論方法。圍繞高超聲速圓柱繞流的風(fēng)洞實驗,利用多物理場仿真計算方法,研究了圓柱在Ma=6.47時的非定常多物理場耦合變化情況,比較了考慮熱流固耦合后對流場、結(jié)構(gòu)溫度場以及應(yīng)力場的影響。研究結(jié)果顯示多物理場耦合仿真計算壁面溫度、結(jié)構(gòu)的溫度場及應(yīng)力有比較大的影響。
【關(guān)鍵詞】：高超聲速 氣動熱 熱流固耦合 多物理場
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V211;V244.1
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-15
• 1 緒論15-25
• 1.1 研究背景與意義15-17
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 高超聲速氣動熱研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 流場-熱-結(jié)構(gòu)一體化數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀21-24
• 1.3 本文研究內(nèi)容24-25
• 2 高超聲速飛行器氣動熱數(shù)值模擬方法25-44
• 2.1 多組分氣體NS方程25-33
• 2.1.1 直角坐標(biāo)下控制方程組25-28
• 2.1.2 熱力學(xué)模型和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型28-29
• 2.1.3 氣體輸運系數(shù)計算29-31
• 2.1.4 無量綱形式31-32
• 2.1.5 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換32-33
• 2.2 時間迭代方法33-37
• 2.2.1 控制方程離散33-35
• 2.2.2 插值方法與差分格式35-37
• 2.3 LU-SGS隱式差分格式37-42
• 2.3.1 LU-SGS法37-40
• 2.3.2 化學(xué)源項處理40-41
• 2.3.3 時間步長計算41-42
• 2.4 初始邊界條件42-43
• 2.4.1 虛擬網(wǎng)格與流場初始條件42
• 2.4.2 邊界條件42-43
• 2.4.3 流場初始化43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 3 典型外形高超聲速氣動熱流場數(shù)值模擬44-67
• 3.1 球錐體流場計算44-52
• 3.1.1 模型簡述44-45
• 3.1.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件45
• 3.1.3 仿真結(jié)果與分析45-52
• 3.2 橢球流場計算52-61
• 3.2.1 模型簡述52-54
• 3.2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件54
• 3.2.3 仿真結(jié)果與分析54-61
• 3.3 空天飛機模型流場計算61-65
• 3.3.1 模型簡述61-62
• 3.3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件62
• 3.3.3 仿真結(jié)果與分析62-65
• 3.4 本章小結(jié)65-67
• 4 高超聲速圓柱繞流熱-流-固一體化計算67-82
• 4.1 多物理場耦合理論67-70
• 4.1.1 流-熱耦合計算理論67
• 4.1.2 熱-固耦合計算理論67-69
• 4.1.3 有限元分析方法69-70
• 4.2 耦合方法70-72
• 4.2.1 強耦合70-71
• 4.2.2 弱耦合71-72
• 4.3 耦合面網(wǎng)格映射與數(shù)據(jù)傳遞72
• 4.4 高超聲速圓柱繞流流場計算72-75
• 4.4.1 模型簡介72-73
• 4.4.2 網(wǎng)格劃分73
• 4.4.3 仿真結(jié)果與分析73-75
• 4.5 圓柱繞流多物理場耦合仿真75-81
• 4.5.1 流場分析結(jié)果75-76
• 4.5.2 溫度場分析結(jié)果76-78
• 4.5.3 結(jié)構(gòu)場分析結(jié)果78-81
• 4.6 本章小結(jié)81-82
• 5 總結(jié)與展望82-85
• 5.1 本文總結(jié)82-83
• 5.2 展望83-85
• 參考文獻85-88
• 附錄88-89
• 個人簡歷89

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