【摘要】：高超聲速飛行器具有快速反應(yīng)能力、精準打擊能力、作戰(zhàn)空間廣闊、作戰(zhàn)突防能力等軍事戰(zhàn)略優(yōu)勢,它是航空航天的一個重要發(fā)展方向,在未來國防安全中擔(dān)任著重要角色。當(dāng)飛行器在大氣中高速飛行時,一方面遭受空氣的極大阻力,另一方面引起了前方空氣的猛烈壓縮和附近空氣劇烈的摩擦,巨大的熱能由動能轉(zhuǎn)變而來,使得飛行器表面和附近空氣的溫度迅速升高。產(chǎn)生的高溫直接影響飛行器的結(jié)構(gòu)強度和內(nèi)部設(shè)備的正常工作,因此精準預(yù)測飛行器的氣動熱環(huán)境成為飛行器設(shè)計的重要研究工作。全文基于計算流體力學(xué)CFD理論與ANSYS仿真軟件進行研究,運用ANSYS FLUENT軟件計算獲得模型外流場的溫度、壓力、密度、速度等物理參數(shù)的分布,選取ANSYS中的Steady-State、Static-Structural模塊與FLUENT建立接口,將流場結(jié)果導(dǎo)入進行耦合模擬計算,獲得結(jié)構(gòu)場的物理參數(shù)分布。本課題圍繞兩個經(jīng)典算例(二維圓管和三維球頭鈍錐)進行研究,通過模擬結(jié)果與參考文獻中數(shù)據(jù)對比,驗證了計算方法的可靠性。以二維圓管為例,建立了完整的氣動熱計算方法,基于模型外流場的計算結(jié)果,進一步研究了氣動熱對結(jié)構(gòu)特性的影響。針對二維圓管模型的局限性,對于流場刻畫能力不如三維模型,直觀的三維圖有助于復(fù)雜流場的研究,又以三維球頭鈍錐為例進行更深一步的研究。重點分析了不同飛行速度、飛行高度、飛行攻角對氣動熱環(huán)境的影響,基于模型計算結(jié)果與文獻實驗數(shù)據(jù)對比,進一步研究了氣動熱對三維結(jié)構(gòu)特性的影響,對模型的溫度場特性和結(jié)構(gòu)場特性進行了深入研究。本文應(yīng)用ANSYS仿真模擬軟件,建立完整的氣動熱耦合模擬計算方法,完成對高超聲飛行器的熱環(huán)境進行了仿真模擬研究,計算結(jié)果均得到驗證,計算方法高效、準確、可靠。該研究成果為飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱防護設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
【圖文】：

具體表現(xiàn)在以下幾個方面[44-45]：圖 2.1高超聲速流場的物理特征示意圖2.1.1薄激波層激波層是指激波和物面間氣體流動的區(qū)域，在氣流偏轉(zhuǎn)角不變的條件下，激波層內(nèi)的密度增量隨來流馬赫數(shù)的增加而增大。這是由于來流馬赫數(shù)的增加，使得激波增強，波后氣體所受壓力增高，氣體密度增大。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，在高速流動過程中，激波緊貼飛行器表面，使得激波層的厚度變得非常小。2.1.2熵層高超聲速飛行器大多數(shù)會做成鈍頭體，這是因為可以有效減弱熱載荷，其原理是依據(jù)邊界層方程的自由相似解。在高超聲速流場中，鈍頭體頭部附近形成具有很大的熵梯度的流體，稱為“熵層”。這是因為在頭部附近的激波非常彎曲，從而使得不同位置的流線的熵增不一樣。根據(jù)Crocco定理：

9究，也就是耦合計算問題。下面將用鈍頭體為例，對飛行器外部熱環(huán)境中傳熱問題的說明。如圖2.2所示，，流場中，氣流速度變化最大的區(qū)域為飛行器的最前端部分，即駐點區(qū)域，極大部分動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使得流體溫度急劇升高。當(dāng)飛行器飛行速度極高時，甚至超越第二宇宙速度時，此時在進行熱環(huán)境計算時，就要加入駐點區(qū)高溫氣體的輻射作用。在駐點區(qū)的下方，邊界層內(nèi)主要傳熱形式包含熱傳導(dǎo)和擴散傳熱。對飛行器外部流場進行氣動加熱計算過程中，求解邊界層氣動加熱計算是全文計算的主要工作。圖 2.2鈍體繞流場中傳熱形式對流傳熱計算，經(jīng)常用到的無量綱的傳熱系數(shù)，分別是斯坦頓數(shù)St與努賽爾數(shù)Nu，兩者的定義如下：uhquCTqStwpw （2.3）hqCLTqLNuwpw （2.4）式中
【學(xué)位授予單位】：中原工學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V411.8;V444.3

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 周正陽;解靜;張莽;李小艷;;高超聲速飛行器轉(zhuǎn)捩特性及表面特征研究[J];導(dǎo)彈與航天運載技術(shù);2016年06期

2 胡冬冬;劉曉明;張紹芳;李文杰;葉蕾;;2016年國外高超聲速飛行器技術(shù)發(fā)展綜述[J];戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù);2017年01期

3 孫文;王剛;姚小強;王晶晶;;臨空高超聲速飛行器目標特性分析[J];火力與指揮控制;2017年01期

4 郭行;符文星;付斌;陳康;閆杰;;吸氣式高超聲速飛行器巡航段突防彈道規(guī)劃[J];宇航學(xué)報;2017年03期

5 孫文;王剛;郭相科;王晶晶;;臨空高超聲速飛行器多傳感器協(xié)同探測體系[J];空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2016年06期

6 張紹芳;葉蕾;;國外高超聲速飛行器及技術(shù)發(fā)展綜述[J];中國航天;2016年12期

7 歐陽金棟;劉慧慧;鄧進;陳雷;龔仔華;;高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱防護技術(shù)現(xiàn)狀綜述[J];教練機;2017年01期

8 ;新書推薦[J];大飛機;2017年03期

9 王勇;張艷;白辰;傅瑜;檀朋碩;;吸氣式高超聲速飛行器制導(dǎo)與控制方法綜述[J];兵器裝備工程學(xué)報;2017年04期

10 桂業(yè)偉;劉磊;代光月;張立同;;高超聲速飛行器流-熱-固耦合研究現(xiàn)狀與軟件開發(fā)[J];航空學(xué)報;2017年07期

相關(guān)會議論文 前10條

1 龍雙麗;劉杰;;高超聲速推進系統(tǒng)幾何構(gòu)型對高超聲速飛行器布局的影響分析[A];探索 創(chuàng)新 交流（第7集）——第七屆中國航空學(xué)會青年科技論壇文集（下冊）[C];2016年

2 王俊山;;臨近空間高超聲速飛行器熱結(jié)構(gòu)材料研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[A];第十九屆全國復(fù)合材料學(xué)術(shù)會議摘要集[C];2016年

3 楊鵬飛;方洋旺;劉云霞;伍友利;;面向隨機控制的彈性高超聲速飛行器建模[A];第36屆中國控制會議論文集（A）[C];2017年

4 賀元元;吳穎川;賀偉;張小慶;劉偉雄;樂嘉陵;;高超聲速飛行器一體化氣動性能預(yù)測方法[A];第八屆全國高超聲速科技學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2015年

5 李海林;吳德偉;張斌;;高超聲速飛行器飛行機理與特性研究[A];第八屆全國高超聲速科技學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2015年

6 張小慶;呂金洲;賀偉;;高超聲速飛行器脈沖風(fēng)洞測力系統(tǒng)分析研究[A];第八屆全國高超聲速科技學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2015年

7 張建宏;湯柏濤;陸紅;;組合動力高超聲速飛行器概念方案初步研究[A];第八屆全國高超聲速科技學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2015年

8 張棟;唐碩;佘文學(xué);鄧帆;郭健;;吸氣式高超聲速飛行器射流推力矢量控制技術(shù)研究綜述[A];第八屆全國高超聲速科技學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2015年

9 梁捷;秦開宇;陳力;梁頻;;高超聲速飛行器氣動/控制一體化優(yōu)化設(shè)計研究[A];中國力學(xué)大會-2015論文摘要集[C];2015年

10 李海波;張正平;吳振強;程昊;劉寶瑞;孔凡金;;高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)熱振動噪聲耦合分析與試驗方法研究[A];中國力學(xué)大會-2015論文摘要集[C];2015年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 劉都群;美國空軍正在為高超聲速飛行器尋求前緣材料[N];中國航空報;2017年

2 中國航天科工三院301所 木林森;高超聲速飛行器:天下武功 唯快不破[N];中國航天報;2017年

3 蜂鳥;胎死腹中的X-20高超聲速飛行器[N];中國航天報;2017年

4 栗清海;美澳合作高超聲速飛行器意欲何為？[N];中國航天報;2017年

5 廖孟豪;美國研制GO Launcher 1高超聲速飛行器[N];中國航空報;2017年

6 徐暉;美國加快高超聲速飛行器研制[N];中國航空報;2009年

7 空軍指揮學(xué)院 姜明遠　姜藶峰 仇瀟;高超聲速飛行器影響未來戰(zhàn)爭[N];中國社會科學(xué)報;2014年

8 軒立新;臨近空間高超聲速飛行器電磁窗關(guān)鍵技術(shù)探索研究[N];中國航空報;2015年

9 廖孟豪;美國高超聲速飛行器發(fā)展路線圖[N];中國航空報;2015年

10 姚強;神秘的俄羅斯“4202”工程[N];中國航天報;2016年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 彭堅;臨近空間高超聲速飛行器電源系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2014年

2 熊柯;高超聲速飛行器巡航控制技術(shù)研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

3 羅世彬;高超聲速飛行器機體/發(fā)動機一體化及總體多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2004年

4 劉燕斌;高超聲速飛行器建模及其先進飛行控制機理的研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

5 車競;高超聲速飛行器乘波布局優(yōu)化設(shè)計研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2007年

6 黃得剛;高超聲速飛行器路徑規(guī)劃、制導(dǎo)與控制研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2016年

7 王婕;彈性高超聲速飛行器跟蹤問題控制方法研究[D];天津大學(xué);2014年

8 李憲強;高超聲速飛行器耦合控制及安全控制研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

9 劉磊;高超聲速飛行器熱氣動彈性特性及相似準則研究[D];中國空氣動力研究與發(fā)展中心;2014年

10 李曉宇;高超聲速飛行器一體化布局氣動外形設(shè)計[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉洪泉;高超聲速飛行器熱環(huán)境仿真模擬分析[D];中原工學(xué)院;2018年

2 朱國梁;高超聲速飛行器建模和控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

3 姜定國;面向不確定條件下的高超聲速飛行器的控制技術(shù)研究[D];南京航空航天大學(xué);2017年

4 申玉葉;高超聲速飛行器機理建模及特性分析[D];天津大學(xué);2014年

5 王頌超;高超聲速飛行器縱向動力學(xué)問題研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

6 徐華松;高超聲速飛行器機體/發(fā)動機一體化設(shè)計研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2006年

7 范中國;高超聲速飛行器遙測發(fā)送系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D];電子科技大學(xué);2017年

8 田聰聰;基于直接參數(shù)化方法的高超聲速飛行器姿態(tài)控制[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

9 王長龍;基于滑�？刂频母叱曀亠w行器控制方法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2016年

10 甄武斌;基于耦合分析方法的高超聲速飛行器協(xié)調(diào)一體化控制[D];南京航空航天大學(xué);2017年

本文編號：2624157