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高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究

作　者: 李伟
导　师: 李桦
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 力学
关键词: 高超声速流动滑移气动热数值模拟
分类号: V211.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

高超声速飞行器在大气中高速飞行时,气动加热严重。即使是在高空,由于气体密度的降低会导致气动热有一定程度的下降,飞行器表面气动热的严峻形势依然不容乐观。随着国内外对高空长时间高超声速飞行研究的迫切需求,进行相关气动热问题的研究已经迫在眉睫。本文利用CFD方法,对高空滑移区的高超声速气动热问题进行了模拟研究。在滑移区,连续介质模型不完全适用,滑移效应的影响主要显现在边界上。本文仍然以三维可压缩定常N-S方程作为控制方程,采用有限体积法进行空间离散,选取M-AUSMPW+格式,利用LU-SGS隐式方法进行流场的模拟。针对实际流动中由于空气稀薄造成的物面速度滑移和温度跳跃,本文通过添加滑移边界条件进行了修正。本文还针对不同的滑移条件进行了研究分析,并通过数值实验对各个条件的准确性、适用范围以及在实际使用中的优缺点进行了考察。对简单外形滑移流的模拟研究分析显示,在滑移区高超声速气动热数值模拟应用中,Maxwell滑移条件更有优势。本文通过数值实验,研究了热流收敛网格的判定准则,以及稀薄效应对流场结构的影响和滑移区热流的变化规律。结果表明在连续流区使用的热流收敛壁面网格的判定准则,在滑移区已不再适用。针对滑移区的流动特点,本文对网格判定准则进行了改进。数值模拟结果表明,从连续流区到滑移流区,流场激波增厚、宏观物理量空间变化率减缓;同时滑移效应的存在对高超声速气动热的数值模拟带来影响,驻点热流下降。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-11
第一章绪论  11-19
  1.1 流动分区及滑移流动机理  11-14
  1.2 国内外研究现状  14-17
    1.2.1 气动热模拟计算研究现状  14-15
    1.2.2 滑移区数值模拟方法研究现状  15-16
    1.2.3 滑移边界条件研究现状  16-17
  1.3 本文开展的主要工作  17-19
第二章流动控制方程及数值计算方法  19-31
  2.1 基本控制方程  19-21
  2.2 有限体积法  21-23
  2.3 M-AUSMPW+格式  23-24
  2.4 LU-SGS 隐式方法  24-25
  2.5 验证算例  25-30
    2.5.1 双椭球算例  26-28
    2.5.2 圆柱算例  28-30
  2.6 本章小结  30-31
第三章不同滑移条件的模拟计算研究  31-51
  3.1 滑移模型简介  31-40
    3.1.1 Maxwell 滑移条件  31-36
    3.1.2 Gokcen 滑移条件  36-38
    3.1.3 Lockerby 滑移条件  38-40
  3.2 数值验证  40-50
    3.2.1 圆柱算例  40-47
    3.2.2 球锥算例  47-50
  3.3 本章小结  50-51
第四章稀薄效应对高超声速气动热数值模拟影响研究  51-75
  4.1 稀薄效应对网格的影响  51-67
    4.1.1 钝头算例  52-61
    4.1.2 球头算例  61-67
  4.2 稀薄效应对流场特征的影响  67-70
  4.3 稀薄效应对热流的影响  70-74
    4.3.1 物体尺度对热流的影响  70-72
    4.3.2 来流稀薄程度对热流的影响  72-74
  4.4 本章小结  74-75
结束语  75-77
致谢  77-78
参考文献  78-83
作者在学期间取得的学术成果  83

高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究

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