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超声速引射器的数值模拟方法及其引射特性研究

作　者: 刘化勇
导　师: 邓小刚
学　校: 中国空气动力研究与发展中心
专　业: 流体力学
关键词: 超声速引射器数值模拟方法湍流模型引射特性多喷嘴开缝喷嘴
分类号: TJ95
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

高能化学激光武器(HECL)作为一种高技术新概念武器,有着其它武器无可比拟的优点。压力恢复系统(PRS)是高能化学激光武器的重要部件之一,研究高性能压力恢复系统对激光武器的一体化设计有重要的意义。高能化学激光武器使用的压力恢复系统有三种:真空机组加真空罐的压力恢复系统、引射式压力恢复系统、低温吸附泵压力恢复系统。引射式压力恢复系统已被成功应用于多种作战平台的高能化学激光武器,它结构简单,可重复使用,能满足大功率化学激光武器长时间工作的需求。高能化学激光武器系统的体积、尺寸对其承载平台的依赖性很强,尤其是在较高的环境压力下,以直升机或地面车辆为承载平台的化学激光武器系统需要安装具有高引射效率、高可靠性、小尺寸的压力恢复系统,这对压力恢复系统的设计提出了很高的要求。超声速引射器是引射式压力恢复系统的核心部件,它的性能和尺寸是决定压力恢复系统设计成败的关键因素。长期以来,超声速引射器的设计依赖于理论计算和试验。随着计算机技术的发展,计算流体力学在超声速引射器的设计和性能研究方面得到了广泛的应用,它可以在相对较短的时间内完成流动参数的分析研究,提供流场的详细特征,弥补理论计算和试验的不足。本文围绕超声速引射器的小型化设计,建立超声速引射器的数值模拟方法和计算软件,对影响超声速引射器小型化的一些重要因素进行初步的探索性研究,着重研究超声速引射器特性的流动参数和几何参数影响规律,多喷嘴超声速引射器的流场结构及引射性能,增强混合型喷嘴超声速引射器流场结构及引射性能。全文共分为七章:第一章简要介绍超声速引射器的研究背景;回顾了国内外有关超声速引射器及相关技术的发展和研究现状;介绍本文所做的主要工作。第二章详细介绍本文使用的数值方法,主要包括控制方程、湍流模型、数值格式、隐式方法和边界条件等。通过八个典型算例的计算来验证数值方法和计算程序的可靠性和准确性。第三章主要介绍并行计算方法,包括并行计算机、并行程序设计、负载平衡算法和并行通讯机制、并行隐式算法。通过两个简单算例的计算来验证并行计算方法和并行程序的可靠性和准确性。第四章介绍了超声速引射器的基本概念及一维理论模型;研究了超声速引射器的数值模拟方法,重点考察湍流模型及可压缩修正在超声速引射器流场计算中的性能表现,通过计算结果和试验结果的对比,对湍流模型及可压缩修正进行筛选;研究超声速引射器特性的流动参数和几何参数影响规律,分析超声速引射器的流场结构和流动现象,找出制约引射器小型化的主要因素。第五章分析了多喷嘴超声速引射器的流场结构,研究了喷嘴数目对超声速引射器特性的影响规律,就单喷嘴、多喷嘴及并联单喷嘴引射器的引射特性进行了对比研究。通过这些研究工作,了解多喷嘴引射方式的引射机理及它对超声速引射器小型化的贡献大小。第六章分析了开缝喷嘴超声速引射器的流场结构,研究了喷嘴缝隙尺寸对超声速引射器性能的影响规律,就改型开缝喷嘴的引射性能进行了初步研究。通过这些研究工作,了解开缝喷嘴的增强混合效果,为它在超声速引射器小型化方面的应用奠定基础。第七章是结束语。阐述了论文的主要成果和创新点,并对未来的工作进行了展望。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
第一章引言  11-22
  1.1 研究背景  11-13
    1.1.1 高能化学激光武器  11-12
    1.1.2 压力恢复系统及其组成  12-13
  1.2 研究进展  13-18
    1.2.1 超速引射器的研究现状  13-15
    1.2.2 激波串和伪激波现象研究进展  15-16
    1.2.3 流向涡增强混合方法研究进展  16-17
    1.2.4 高马赫数、大增压比超声速引射器数值模拟的难点  17-18
  1.3 本文的主要工作  18-22
第二章控制方程和数值方法  22-78
  2.1 引言  22
  2.2 控制方程  22-26
    2.2.1 二维、轴对称控制方程  22-23
    2.2.2 三维控制方程  23-25
    2.2.3 控制方程的无量纲化  25
    2.2.4 控制方程的坐标变换  25-26
  2.3 湍流模型  26-33
    2.3.1 Wilcox系列两方程模型  28-29
    2.3.2 Menter系列两方程模型  29-30
    2.3.3 Girimaji显式代数应力模型(EASM)  30-32
    2.3.4 湍流可压缩效应  32-33
  2.4 数值方法  33-45
    2.4.1 有限体积方法  33-34
    2.4.2 控制方程离散  34-36
    2.4.3 时间积分方法  36-39
    2.4.4 空间离散方法  39-45
  2.5 边界条件  45-50
    2.5.1 粘性壁面边界  46-47
    2.5.2 对称边界  47
    2.5.3 亚声速入流边界  47-48
    2.5.4 亚声速出流边界  48-49
    2.5.5 块对接边界  49
    2.5.6 其它边界  49-50
  2.6 算例验证  50-56
    2.6.1 湍流平板边界层流动  50-51
    2.6.2 RAE2822翼型绕流  51-52
    2.6.3 M6三维机翼绕流  52
    2.6.4 Sajben扩压器流动  52-53
    2.6.5 FESTIP火箭绕流（带尾喷）  53-54
    2.6.6 引射喷管流动  54
    2.6.7 Delery管道流动  54-55
    2.6.8 三维双锲流动  55-56
  2.7 本章小结  56-78
第三章并行计算方法  78-91
  3.1 引言  78
  3.2 并行计算机  78-79
  3.3 并行程序设计  79
  3.4 负载平衡算法和并行通讯机制  79-83
    3.4.1 负载平衡算法  80-82
    3.4.2 块结构解算器的并行通讯机制  82-83
  3.5 并行隐式算法  83-85
  3.6 并行算法的验证  85-86
    3.6.1 RAE2822翼型绕流的并行计算  85-86
    3.6.2 M6机翼绕流的并行计算  86
  3.7 本章小结  86-91
第四章超声速引射器的引射特性研究  91-139
  4.1 引言  91
  4.2 超声速引射器的基本概念及一维理论模型  91-97
    4.2.1 超声速引射器的基本概念  92-94
    4.2.2 超声速引射器的一维理论模型  94-97
  4.3 超声速引射器的数值模拟方法研究  97-102
    4.3.1 试验装置  97-98
    4.3.2 模型及计算条件  98-99
    4.3.3 结果对比和分析  99-102
  4.4 超声速引射器的引射特性研究  102-110
    4.4.1 超声速引射器的流场结构分析  103-104
    4.4.2 超声速引射器特性流动参数影响规律研究  104-108
    4.4.3 超声速引射器特性的几何参数影响规律研究  108-110
  4.5 本章小结  110-139
第五章多喷嘴超声速引射器的引射特性研究  139-177
  5.1 引言  139
  5.2 多喷嘴超声速引射器的流场结构分析  139-142
    5.2.1 模型和计算方法  139-140
    5.2.2 流场结构分析  140-142
  5.3 喷嘴数目对超声速引射器特性的影响规律研究  142-146
  5.4 单喷嘴、多喷嘴及并联单喷嘴引射器的引射特性对比研究  146-149
  5.5 本章小结  149-177
第六章增强混合喷嘴超声速引射器的引射特性研究  177-196
  6.1 引言  177
  6.2 开缝喷嘴超声速引射器的流场结构分析  177-179
    6.2.1 模型和计算方法  177-178
    6.2.2 流场结构分析  178-179
  6.3 喷嘴缝隙尺寸对超声速引射器性能的影响规律研究  179-182
    6.3.1 缝数变化的影响  180-181
    6.3.2 缝长度变化的影响  181-182
  6.4 改形开缝喷嘴超声速引射器的引射特性研究  182-183
  6.5 本章小结  183-196
第七章结束语  196-201
  7.1 论文的主要成果  196-198
  7.2 论文的主要创新点  198-199
  7.3 今后工作的展望  199-201
致谢  201-203
参考文献  203-211

超声速引射器的数值模拟方法及其引射特性研究

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