本文關(guān)鍵詞：高超聲速熱流固多物理場(chǎng)計(jì)算研究

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【摘要】：高超聲速氣動(dòng)熱的預(yù)測(cè)以及飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目前已成為科研人員和工程設(shè)計(jì)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(shí),由于激波效應(yīng)和氣體的粘性作用,機(jī)體周圍空氣溫度迅速升高,產(chǎn)生了氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。與此同時(shí),氣動(dòng)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(duì)高超聲速氣動(dòng)熱數(shù)值模擬以及熱流固多物理場(chǎng)一體化計(jì)算進(jìn)行了研究。首先,本論文針對(duì)高超聲速氣動(dòng)熱計(jì)算以及多物理場(chǎng)的非定常計(jì)算進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研,對(duì)已有的研究進(jìn)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(jì)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(dòng)的初始條件、邊界條件和流動(dòng)初始化。其次,開展了鈍錐外形、雙橢球外形和空天飛機(jī)外形的氣動(dòng)熱數(shù)值模擬,分別了研究不同飛行高度對(duì)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(duì)氣動(dòng)加熱的影響,研究了對(duì)稱面中心線和機(jī)翼上下表面的氣動(dòng)熱分布,較為清晰地掌握了高超聲速流場(chǎng)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(duì)表面壓力系數(shù)分布影響不大；飛行速度和攻角的變化對(duì)表面氣動(dòng)熱分布有較大影響。以上仿真過程都取得了與文獻(xiàn)相吻合的結(jié)果,驗(yàn)證了本文計(jì)算方法的有效性,并為熱流固多物理場(chǎng)耦合分析奠定了基礎(chǔ)。最后,闡述了多物理場(chǎng)一體化計(jì)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(shí)驗(yàn),利用多物理場(chǎng)仿真計(jì)算方法,研究了圓柱在Ma=6.47時(shí)的非定常多物理場(chǎng)耦合變化情況,比較了考慮熱流固耦合后對(duì)流場(chǎng)、結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的影響。研究結(jié)果顯示多物理場(chǎng)耦合仿真計(jì)算壁面溫度、結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力有比較大的影響。
【關(guān)鍵詞】：高超聲速 氣動(dòng)熱 熱流固耦合 多物理場(chǎng)
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀17-24
• 1.2.1 高超聲速氣動(dòng)熱研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.2 流場(chǎng)-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?jī)?nèi)容24-25
• 2 高超聲速飛行器氣動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型28-29
• 2.1.3 氣體輸運(yùn)系數(shù)計(jì)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(shí)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(xiàng)處理40-41
• 2.3.3 時(shí)間步長(zhǎng)計(jì)算41-42
• 2.4 初始邊界條件42-43
• 2.4.1 虛擬網(wǎng)格與流場(chǎng)初始條件42
• 2.4.2 邊界條件42-43
• 2.4.3 流場(chǎng)初始化43
• 2.5 本章小結(jié)43-44
• 3 典型外形高超聲速氣動(dòng)熱流場(chǎng)數(shù)值模擬44-67
• 3.1 球錐體流場(chǎng)計(jì)算44-52
• 3.1.1 模型簡(jiǎn)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(chǎng)計(jì)算52-61
• 3.2.1 模型簡(jiǎn)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(jī)模型流場(chǎng)計(jì)算61-65
• 3.3.1 模型簡(jiǎn)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(jì)算67-82
• 4.1 多物理場(chǎng)耦合理論67-70
• 4.1.1 流-熱耦合計(jì)算理論67
• 4.1.2 熱-固耦合計(jì)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(qiáng)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(chǎng)計(jì)算72-75
• 4.4.1 模型簡(jiǎn)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(chǎng)耦合仿真75-81
• 4.5.1 流場(chǎng)分析結(jié)果75-76
• 4.5.2 溫度場(chǎng)分析結(jié)果76-78
• 4.5.3 結(jié)構(gòu)場(chǎng)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(xiàn)85-88
• 附錄88-89
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷89

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本文編號(hào)：1040477