本文關(guān)鍵詞：高超音速鈍體頭部氣動加熱和壁板氣動熱彈性數(shù)值計算

  更多相關(guān)文章： 高超音速 氣動加熱 氣動熱彈性 CFD 數(shù)值模擬 顫振 幾何缺陷 熱降解

【摘要】：空問飛行器的現(xiàn)代化設(shè)計需要獲取有關(guān)流場、氣動特性和熱傳遞過程的精確和可靠的數(shù)據(jù)。考慮到飛行器在高超音速飛行過程中流場狀況復(fù)雜多樣,真實(shí)氣體稀薄理論,粘性無粘性相互作用的影響,以及流動分離,層紊流過度,飛行器表面上發(fā)生的物理和化學(xué)過程等因素都需要考慮進(jìn)去。通過實(shí)驗(yàn)室或者飛行試驗(yàn)獲取必要的信息需要高昂的費(fèi)用,并且在地面往往難以再現(xiàn)高超聲速飛行環(huán)境,因此超音速流模擬是非常重要的。利用數(shù)值計算,可以用相對較小的成本獲得比較詳細(xì)的流場數(shù)據(jù),并有可能重現(xiàn)許多流動環(huán)境,包括無法靠地面實(shí)驗(yàn)設(shè)施實(shí)現(xiàn)的流動環(huán)境。在飛行器設(shè)計上存在的一個主要問題就是高超聲速飛行器表面的對流傳熱(氣動加熱)問題。考慮到實(shí)際問題的復(fù)雜性,應(yīng)當(dāng)選取合適的物理模型和數(shù)值方法來研究。本文基于計算流體力學(xué)CFD理論和ANSYS Workbench仿真平臺,通過ANSYS FLUENT有限元軟件數(shù)值仿真了高超聲速球頭-圓錐體彈丸的氣動加熱,通過計算得到并分析了其在不同時刻的結(jié)構(gòu)和流場溫度場分布和彈丸表面熱流密度分布的狀況。本文還進(jìn)一步地研究了高溫風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的圓柱繞流問題,采用1/4的2D圓柱模型來代替,數(shù)值模擬后得到圓柱殼體在2s、3s、4s、5s時刻的結(jié)構(gòu)溫度分布和速度分布云圖,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,誤差較小從而進(jìn)一步論證了CFD方法模擬此類氣動加熱問題的準(zhǔn)確性。壁板顫振是發(fā)生在飛行器蒙皮壁板或殼上的一種非穩(wěn)定氣動熱彈性自激振動。本文研究了高超聲速飛行下,帶有靜態(tài)和動態(tài)邊緣可動性效應(yīng)的蒙皮壁板的氣動熱彈性問題。本文通過無限長的二維彎曲面板的幾何非線性理論推導(dǎo)了氣動熱彈性控制方程,文中對氣動力進(jìn)行建模的方程是基于三階活塞理論的。本文采用基爾霍夫板狀假說連同馮·卡門非線性應(yīng)變-位移關(guān)系,使用伽遼金方法對超音速／高超音速非定常流作用下的有幾何缺陷的彎曲面板進(jìn)行了數(shù)值模擬。在壁板溫度連同材料力學(xué)性能的熱降解對顫振馬赫數(shù)和頻率的影響的結(jié)果中顯示隨著溫度振幅的增大,顫振馬赫數(shù)和顫振頻率都會降低。此外,此模型還考慮了熱降解的影響。對于在有熱降解情況下隨著曲率比變化的結(jié)果顯示(1)隨著質(zhì)量比的增大,顫振馬赫數(shù)也會降低；(2)隨著幾何缺陷的增大,顫振速度會有較大的降低；(3)曲率比相對較小時,有較大厚度比的板會顯示出顫振速度的增大。本文的計算結(jié)果正確可信,在關(guān)于飛行器的氣動加熱和氣動熱彈性研究方面具有一定的參考意義。
【關(guān)鍵詞】：高超音速 氣動加熱 氣動熱彈性 CFD 數(shù)值模擬 顫振 幾何缺陷 熱降解
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V415.3
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 緒論10-18
• 1.1 本課題的研究背景及意義10-11
• 1.2 氣動加熱和氣動熱彈性概述11-13
• 1.2.1 氣動加熱概述11
• 1.2.2 氣動彈性概述11-12
• 1.2.3 壁板顫振概述12-13
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.3.1 國外研究概況13-15
• 1.3.2 國內(nèi)研究概況15-16
• 1.3.3 氣動熱彈性的發(fā)展展望16
• 1.4 本文的研究目的16-17
• 1.5 論文的主要研究內(nèi)容17-18
• 2 計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值方法18-34
• 2.1 CFD理論18-19
• 2.2 控制方程19-22
• 2.3 湍流模型22-29
• 2.3.1 S-A湍流模型25-26
• 2.3.2 標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型26-27
• 2.3.3 RNGκ-ε湍流模型27-28
• 2.3.4 SSTκ-ω湍流模型28-29
• 2.4 初始條件和邊界條件29-32
• 2.4.1 壓力遠(yuǎn)場邊界條件30-31
• 2.4.2 對稱邊界條件31
• 2.4.3 物面邊界條件31-32
• 2.5 離散格式32
• 2.6 本章小結(jié)32-34
• 3 氣動加熱數(shù)值計算研究34-48
• 3.1 球頭-圓錐體彈丸氣動加熱研究34-41
• 3.1.1 傳熱模型34-35
• 3.1.2 初始條件和邊界條件35
• 3.1.3 計算方法35
• 3.1.4 計算結(jié)果及分析35-41
• 3.2 圓柱繞流氣動加熱研究41-44
• 3.2.1 計算模型41
• 3.2.2 初始條件和邊界條件41
• 3.2.3 計算方法41-44
• 3.3 CFX處理高超聲速彈丸氣動加熱研究44-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 4 壁板顫振的氣動熱彈性研究分析48-62
• 4.1 非線性氣動熱彈性壁板建模49-54
• 4.1.1 初始條件和邊界條件49-51
• 4.1.2 獨(dú)立于時間和溫度的結(jié)構(gòu)阻尼51-52
• 4.1.3 氣動載荷52-53
• 4.1.4 非線性氣動熱彈性支配方程53-54
• 4.2 Galerkin法和直接數(shù)值積分法54-55
• 4.3 數(shù)值結(jié)果及討論55-61
• 4.3.1 數(shù)值確認(rèn)56
• 4.3.2 線性氣動熱彈性分析56-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 5 本文工作總結(jié)與研究展望62-64
• 5.1 工作總結(jié)62-63
• 5.2 研究展望63-64
• 致謝64-65
• 參考文獻(xiàn)65-70

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