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高速弹头气动热工程算法与数值计算研究

作　者: 陈鹏
导　师: 张敏
学　校: 南京理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 高速弹头气动热转捩前缘钝度高温效应
分类号: TJ760
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

本文将工程算法与数值计算相耦合,求解高速弹头在不同飞行条件下的气动热环境,为弹头气动热环境的改善以及具体数值的预测提供一定的参考价值。首先,将弹头简化模型分为三部分：驻点处、半球部分以及锥身处。驻点处采用简化后的修正Lees公式,半球处根据球面几何关系结合Lees钝体热流密度公式变换推导得到热流密度计算式,而锥身处则由平板绕流的相似性解出发,推导得到相同雷诺数条件下的圆锥绕流层流与湍流状态的斯坦顿数St,最后代入弹头锥身得到热流密度公式。同时,在商业软件Tecplot8.0中建立弹头模型并绘制非结构化网格,并使用Fortran语言编写二维稳态导热程序,读取非结构化网格而后进行数值计算。有关热流密度的计算公式以第三类边界条件的方式赋给弹体表面,弹体内部的网格控制体基于有限容积法进行数值运算。本文研究内容分为三部分：边界层转捩、前缘钝度对高速弹头气动热环境的改变以及高温效应在气动热具体数值预测中的影响。转捩的计算采用Batt准则,在4-9Ma的来流条件下,分别对层流与湍流两种状态进行了数值计算；而考虑到前缘钝度对气动热环境的改变,文中建立了两种不同钝度的弹头模型分别计算,并将结果线性化处理和分析；最后部分考虑将空气视作量热完全气体和热完全气体两种条件,分析高温效应对高速弹头气动热具体数值预测的影响,这里利用热完全气体热力学参数与温度的拟合关系式,得到相应温度下的比热比γ并编写进导热程序中。计算结果表明,湍流状态下,弹头高温区域较于层流有所扩大,且转捩起始点随着马赫数的增大而前移,气动热环境逐渐严峻；前缘钝度的提高可以有效降低驻点及表面的热流,高温区域的温度值也有所降低,但弹头整体的气动阻力增大；在热完全空气的条件下,比热比γγ随激波后气流温度升高而降低,空气分子的振动能被激发,数值计算得到的弹头表面温度较于量热完全气体条件要低。上述结论在导弹研发初期以及气动热具体数值的预测中具有一定的参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
图表清单  9-13
1 绪论  13-18
  1.1 研究背景与意义  13-14
  1.2 国内外研究现状  14-17
  1.3 本文主要研究工作  17-18
2 高速弹头气动热的工程算法  18-35
  2.1 高速弹头驻点处的传热计算  19-20
  2.2 高速弹头半球表面的传热计算  20-21
  2.3 高速弹头锥面气动热的计算  21-34
    2.3.1 高速弹头锥面压力系数的计算  21-22
    2.3.2 半球表面激波形状的确定  22-23
    2.3.3 圆锥绕流的特点  23-24
    2.3.4 圆锥激波的基本方程与边界条件  24-26
    2.3.5 激波后气动参数的计算  26-27
    2.3.6 平板绕流的传热计算  27-32
    2.3.7 圆锥绕流的传热计算  32-33
    2.3.8 高速弹头锥面热流密度  33-34
  2.4 本章结束语  34-35
3 边界层转捩对高速弹头气动热的影响  35-49
  3.1 高速弹头数值传热的计算方法  35-38
    3.1.1 求解程序的运行流程  36-37
    3.1.2 程序验证：矩形域稳态导热算例  37-38
  3.2 高速弹头计算模型及网格  38-39
  3.3 高速边界层转捩的预测  39-40
  3.4 转捩过渡区热流密度的计算  40
  3.5 数值计算结果和分析  40-48
    3.5.1 温度分布云图及分析  41-43
    3.5.2 线性化处理及分析  43-48
  3.6 本章结束语  48-49
4 前缘钝度对高速弹头气动热的影响  49-62
  4.1 高速弹头零升阻力系数的计算  49-52
    4.1.1 提高弹头前缘钝度对气动热改善的机理  49-50
    4.1.2 弹头表面压差阻力系数的计算  50-51
    4.1.3 弹头表面摩擦阻力系数的计算  51
    4.1.4 钝头附加阻力系数的计算  51-52
  4.2 不同钝度的弹头模型选定  52
  4.3 数值计算结果和分析  52-61
    4.3.1 零升阻力系数的计算及分析  53-54
    4.3.2 温度分布云图及分析  54-56
    4.3.3 线性化处理及分析  56-61
  4.4 本章结束语  61-62
5 高温效应对高速弹头气动热预测的影响  62-77
  5.1 空气的热力学属性分类  62-65
    5.1.1 量热完全气体  62-63
    5.1.2 热完全气体  63-64
    5.1.3 真实气体  64-65
  5.2 热完全空气热力学参数的计算  65-66
  5.3 正激波后气动参数的计算  66-67
  5.4 数值计算结果和分析  67-75
    5.4.1 正激波后气动参数的计算及分析  67-69
    5.4.2 温度分布云图及分析  69-71
    5.4.3 线性化处理及分析  71-75
  5.5 本章结束语  75-77
6 总结与展望  77-79
  6.1 全文总结  77-78
  6.2 工作展望  78-79
致谢  79-80
参考文献  80-83

高速弹头气动热工程算法与数值计算研究

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