本文關(guān)鍵詞：燒蝕熱防護(hù)系統(tǒng)三維熱響應(yīng)有限元計(jì)算方法研究

  更多相關(guān)文章： 熱防護(hù) 燒蝕 移動(dòng)邊界 炭化材料 熱解 有限元 三維熱響應(yīng)

【摘要】：再入彈頭和載人飛船返回艙等返回式飛行器在戰(zhàn)略威懾、遠(yuǎn)程打擊和載人航天領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。此類飛行器以高超聲速再入大氣層,為避免其因嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱而損毀,必須采取熱防護(hù)措施,而目前最有效的手段是燒蝕防熱。但裝配熱防護(hù)系統(tǒng)會(huì)增加飛行器系統(tǒng)重量,影響飛行性能和有效載荷,必須進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì),這就對(duì)再入氣動(dòng)加熱環(huán)境下防熱系統(tǒng)內(nèi)部溫升變化的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提出了更高的要求。為滿足這一需求,在目前飛行試驗(yàn)成本高、而風(fēng)洞測(cè)量可模擬條件有限的情況下,具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)的高精度數(shù)值計(jì)算方法,已成為對(duì)燒蝕熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、鑒定和評(píng)估的必備手段之一。歐美各航天強(qiáng)國(guó)在溫度場(chǎng)計(jì)算方面開展了大量研究,計(jì)算能力從最初的簡(jiǎn)單一維問題逐步擴(kuò)展至三維復(fù)雜情況,并已形成了多套完備的燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算軟件。相比之下,我國(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚,進(jìn)展滯后,尤其是在帶有燒蝕動(dòng)邊界的三維復(fù)雜熱響應(yīng)計(jì)算方面,目前還處于初始階段。針對(duì)這一現(xiàn)狀,本文對(duì)三維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算方法進(jìn)行探索,旨在為我國(guó)再入飛行器防熱系統(tǒng)精細(xì)化設(shè)計(jì)提供切實(shí)可用的計(jì)算分析手段。燒蝕熱響應(yīng)現(xiàn)象十分復(fù)雜,要實(shí)現(xiàn)其準(zhǔn)確數(shù)值模擬,首先需要進(jìn)行機(jī)理分析,建立合理的數(shù)學(xué)物理模型。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,基于質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒原理,考慮了表面燒蝕后退、材料熱解和熱解氣體在炭化層內(nèi)流動(dòng)等關(guān)鍵因素對(duì)溫度分布的影響,建立了燒蝕熱響應(yīng)控制方程模型。根據(jù)該物理模型,建立了燒蝕熱響應(yīng)數(shù)值模擬方法,并進(jìn)行了方法驗(yàn)證和計(jì)算結(jié)果分析。本文共分以下幾個(gè)章節(jié):第一章為引言,綜合概述研究背景及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第二章為物理模型、基本方程及數(shù)值方法,對(duì)所采用的研究方法進(jìn)行總述。在機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,建立起描述燒蝕熱響應(yīng)的守恒方程及相應(yīng)的表面能量平衡方程。并根據(jù)模擬燒蝕動(dòng)邊界的需要,將控制方程進(jìn)行了動(dòng)坐標(biāo)體系變換。最后對(duì)所采用的有限元數(shù)值方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。第三章主要為炭化材料一維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算及驗(yàn)證。利用前緣定位法處理燒蝕移動(dòng)邊界,按有限元方法的一般步驟,結(jié)合Newton-GMRES隱式迭代,對(duì)基本方程進(jìn)行離散和求解。通過有解析解算例的誤差分析表明,所用的求解器可以達(dá)到二階時(shí)間和空間精度。在此基礎(chǔ)上,利用所發(fā)展的程序,針對(duì)不同輸入條件,計(jì)算得到了與文獻(xiàn)典型算例和試驗(yàn)吻合良好的數(shù)據(jù),進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性。第四章主要內(nèi)容為三維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算方法的建立、驗(yàn)證及應(yīng)用。在本章中將一維方法推廣到三維情況,應(yīng)用Darcy定律描述熱解氣體在多孔的炭化層內(nèi)的流動(dòng),基于MOOSE框架,采用限元方法對(duì)三維動(dòng)坐標(biāo)系下的控制方程進(jìn)行離散,應(yīng)用Newton-GMRES迭代策略求解大型稀疏矩陣。通過對(duì)比算例,對(duì)三維程序的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上,考察了三維導(dǎo)熱和熱解氣體橫向流動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)帶來的影響,發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部的多維導(dǎo)熱減緩了能量沿縱向的傳播,從而使觀測(cè)點(diǎn)的溫度較一維計(jì)算結(jié)果有所降低,而熱解氣體的橫向流動(dòng)則減弱了對(duì)熱流的阻塞效應(yīng)。最后以帶曲面的非對(duì)稱燒蝕模型為例,對(duì)程序處理復(fù)雜問題能力進(jìn)行綜合考量。最后,在第五章結(jié)束語部分,對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié),對(duì)下一步需要開展的工作進(jìn)行了規(guī)劃。
【關(guān)鍵詞】：熱防護(hù) 燒蝕 移動(dòng)邊界 炭化材料 熱解 有限元 三維熱響應(yīng)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V244.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 引言11-18
• §1.1 研究工作的背景和意義11-14
• §1.2 研究現(xiàn)狀14-16
• §1.3 本文工作16-18
• 第二章 物理模型、基本方程及數(shù)值方法18-30
• §2.1 燒蝕熱響應(yīng)的物理過程18-19
• §2.2 描述燒蝕熱響應(yīng)的控制方程19-24
• §2.2.1 質(zhì)量守恒方程20
• §2.2.2 動(dòng)量守恒方程20-21
• §2.2.3 能量守恒方程21-22
• §2.2.4 熱邊界條件22-24
• §2.3 動(dòng)網(wǎng)格策略及控制方程的坐標(biāo)變換24-28
• §2.4 有限元數(shù)值方法28-30
• 第三章 一維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算方法建立及驗(yàn)證30-49
• §3.1 一維燒蝕熱響應(yīng)控制方程30-34
• §3.1.1 一維質(zhì)量守恒方程30-31
• §3.1.2 一維能量守恒方程31-32
• §3.1.3 一維控制方程的坐標(biāo)變換32-34
• §3.2 一維控制方程的離散和求解34-39
• §3.2.1 一維控制方程的Galerkin弱格式34-36
• §3.2.2 構(gòu)造插值函數(shù)36-37
• §3.2.3 邊界條件及單元有限元方程37-38
• §3.2.4 總體方程的組合38-39
• §3.3 一維熱響應(yīng)計(jì)算程序考核算例39-49
• §3.3.1 算例一：有解析解的一維熱傳導(dǎo)問題40-43
• §3.3.2 算例二：定壁溫條件下有熱解、無燒蝕的一維熱響應(yīng)計(jì)算43-44
• §3.3.3 算例三：對(duì)流換熱邊界、有熱解、無燒蝕44-45
• §3.3.4 算例四：對(duì)流換熱邊界、有熱解、有燒蝕45-47
• §3.3.5 算例五：電弧風(fēng)洞試驗(yàn)條件47-49
• 第四章 三維燒蝕熱響應(yīng)計(jì)算方法建立、驗(yàn)證及應(yīng)用49-67
• §4.1 三維控制方程的離散及求解49-54
• §4.1.1 三維控制方程的Galerkin弱格式50-51
• §4.1.2 三維條件下的插值函數(shù)構(gòu)造51-54
• §4.2 三維熱響應(yīng)計(jì)算程序計(jì)算結(jié)果分析54-67
• §4.2.1 算例一：有解析解三維熱傳導(dǎo)算例54-57
• §4.2.2 算例二：表面均勻熱流、有熱解、無燒蝕57-58
• §4.2.3 算例三：表面非均勻熱流、有熱解、無燒蝕58-61
• §4.2.4 算例四：表面均勻熱流、熱解氣體明顯橫向流動(dòng)61-62
• §4.2.5 算例五：表面均勻熱流、有熱解、有燒蝕62-63
• §4.2.6 算例六：球頭外形、非對(duì)稱燒蝕、有熱解63-67
• 第五章 結(jié)束語67-69
• §5.1 總結(jié)67
• §5.2 未來工作展望67-69
• 致謝69-70
• 作者簡(jiǎn)歷70
• 讀碩士學(xué)位期間論文發(fā)表情況70-71
• 參考文獻(xiàn)71-76
• 附錄A NEWTON迭代法76-77
• 附錄B KRYLOV子空間方法77-78

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

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本文編號(hào)：779457