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锥形天线罩气动及结构性能分析

作　者: 梁家稷
导　师: 佟丽莉
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 飞行器设计
关键词: 天线罩温度场热应力
分类号: TJ760
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 14次
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内容摘要

气动加热是超音速飞行器研究的关键问题之一。本文的主要目的是，以锥形天线罩为模型，利用数值模拟的方法计算天线罩在不同马赫数下各时刻的温度场，对比分析材料的密度、热传导系数和比热容等属性对天线罩内部温度分布的影响，为超音速飞行的天线罩的材料选择与结构设计方面提供帮助。利用FLUENT软件对高超声速二维圆柱绕流进行数值模拟，得到的压力分布、温度分布以及热流密度分布数据，发现数值模拟所得数据与实验数据相符。针对2.5Ma和2.8Ma两种马赫数情况下，利用FLUENT软件对零攻角飞行的天线罩的气动加热规律进行数值模拟，采用非稳态计算方法，得出在74秒的时间内不同时刻天线罩温度场的变化情况。74秒时，2.5Ma的天线罩外壁面最高温度398.34°C；2.8Ma的天线罩外壁面最高温度493.89°C。文中针对四种不同材质的天线罩在相同马赫数的情况下，利用数值计算对比分析不同的材料属性对天线罩温度场变化的影响。74秒时材料一天线罩内壁面最高温度362.43℃，材料二天线罩内壁面最高温度27.09℃，材料三天线罩内壁面最高温度373.03℃，材料四天线罩内壁面最高温度389.06℃。材料四的温度传播速度最快，材料二的温度传播速度最慢。说明热传导系数越大、密度越小、定压比热容越小温度传播的越快，验证了热扩散系数越大温度传播越快。从计算结果得出，最好的防热材料应选择热传导系数小、密度大、比热容大的材料；最好的导热材料应选择热传导系数大、密度小、比热容小的材料。在ANSYS软件中建立天线罩的模型并划分网格，分别将2.5Ma和2.8Ma条件下得出的温度载荷和压力载荷加载到模型上。从结果得出，压力载荷作用下，天线罩受压应力，2.8Ma天线罩最大应力33.6MPa，最大位移0.525mm；2.5Ma天线罩最大应力26.8MPa，最大位移0.419mm；温度载荷作用下，天线罩外表面受压应力，内表面受拉应力，2.8Ma外表面最大应力38.4MPa，内表面最大应力65MPa；2.5Ma外表面最大应力31MPa，内表面最大应力52.5MPa。通过两种载荷下的应力结果的对比可以看出，在温度载荷作用下，天线罩所受到的不论是拉应力还是压应力均大于压力载荷下天线罩受到的压应力

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-13
  1.1 论文研究背景及研究意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
  1.3 本文要解决的问题  12-13
第2章计算流体力学理论  13-19
  2.1 流体力学基础  13
    2.1.1 N-S 方程  13
  2.2 数值模拟求解器概述  13-16
    2.2.1 一般标量输运方程：离散及求解  14-15
    2.2.2 空间离散化  15
    2.2.3 时间离散化  15-16
  2.3 密度基求解器  16-19
    2.3.1 矢量形式的控制方程  16-17
    2.3.2 非稳态流动计算方法  17-19
第3章湍流模型理论及高超声速圆柱绕流数值模拟  19-29
  3.1 湍流模型概述  19-21
    3.1.1 The Spalart-Allmaras 模型  19-20
    3.1.2 标准 k-ε模型  20
    3.1.3 RNG k-ε模型  20
    3.1.4 带旋流修正的 k-ε模型  20-21
  3.2 RNG k-ε模型理论  21-23
    3.2.1 RNG k-ε模型的方程  21
    3.2.2 有效速度模型  21-22
    3.2.3 RNG 模型的漩涡修改  22
    3.2.4 计算 Prandtl 的反面影响  22
    3.2.5 ε方程中的 R_ε  22-23
    3.2.6 模型常量  23
  3.3 高超音速圆柱绕流数值计算  23-27
    3.3.1 FLUENT 数值模拟设置  24-25
    3.3.2 计算结果  25-27
  3.4 本章小结  27-29
第4章热传导理论及天线罩热传导计算分析  29-55
  4.1 热传导  29
  4.2 温度场  29
  4.3 热传导微分方程  29-31
  4.4 传热的数值计算  31
  4.5 FLUENT 热传导理论  31-32
  4.6 超音速天线罩传热的数值计算  32-54
    4.6.1 天线罩外形及尺寸  32-33
    4.6.2 外流场计算域  33-41
    4.6.3 天线罩温度场计算结果及分析  41-54
  4.7 本章小结  54-55
第5章天线罩应力与位移计算分析  55-62
  5.1 ANSYS 软件简介  55
  5.2 天线罩结构计算  55-61
    5.2.0 天线罩模型与材料参数  55-56
    5.2.1 天线罩压力载荷计算  56-59
    5.2.2 天线罩温度载荷计算  59-61
  5.3 本章小结  61-62
总结与展望  62-64
参考文献  64-67
致谢  67

锥形天线罩气动及结构性能分析

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