發(fā)布時(shí)間：2017-10-07 05:14

  本文關(guān)鍵詞：高超聲速飛行器關(guān)鍵部件的多物理場(chǎng)耦合研究

  更多相關(guān)文章： 多物理場(chǎng)耦合 流固耦合 氣熱耦合 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 CFD/CSD串行雙向耦合

【摘要】：吸氣式高超聲速飛行器在飛行時(shí)所經(jīng)歷的氣動(dòng)環(huán)境非常復(fù)雜,流-固-熱多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象突出,因此,針對(duì)其典型部件開(kāi)展多物理場(chǎng)耦合研究對(duì)飛行器的設(shè)計(jì)與控制具有重要意義。本文采用基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Solid Dynamics)的多物理場(chǎng)耦合方法,將流場(chǎng)求解器FLUENT與結(jié)構(gòu)/熱求解器ABAQUS耦合起來(lái),通過(guò)耦合接口軟件MpCCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)間數(shù)據(jù)的交換與耦合流程的控制,并選取三個(gè)高超聲速飛行器關(guān)鍵部件,依次對(duì)其開(kāi)展相應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合分析。首先,依次選取超聲速壁板顫振問(wèn)題與Ma 6.47圓柱繞流問(wèn)題為校核對(duì)象,通過(guò)與理論分析結(jié)果、具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了基于MpCCI的CFD/CSD方法在超/高超聲速條件下流固、氣熱耦合計(jì)算的準(zhǔn)確性。然后,開(kāi)展了針對(duì)單邊膨脹噴管移動(dòng)板結(jié)構(gòu)的流固耦合研究,重點(diǎn)關(guān)注不同板長(zhǎng)(150,180mm)與板厚(5,7mm)下流固耦合效應(yīng)對(duì)噴管氣動(dòng)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明:板厚相同時(shí)(5mm),較短移動(dòng)板的氣動(dòng)性能較差,但動(dòng)態(tài)性能較好:升力減小9.9%,而響應(yīng)時(shí)間縮短44.7%;當(dāng)移動(dòng)板長(zhǎng)度相同時(shí)(180mm),較厚的板同時(shí)擁有好的氣動(dòng)與動(dòng)態(tài)性能:穩(wěn)態(tài)升力提高0.98%,冷熱態(tài)俯仰力矩差減小10.5%,且響應(yīng)時(shí)間減小40.4%。其次,開(kāi)展了針對(duì)TBCC排氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)級(jí)板的流固耦合研究,計(jì)算結(jié)果表明:在渦輪側(cè)高壓的作用下,轉(zhuǎn)級(jí)板向下振動(dòng)且最大振幅達(dá)到3.58mm,占轉(zhuǎn)級(jí)板總長(zhǎng)的0.89%。但在阻尼的耗能作用下,轉(zhuǎn)級(jí)板的振幅不斷減小并最終達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定后轉(zhuǎn)級(jí)板Tip點(diǎn)向下位移1.88mm。轉(zhuǎn)級(jí)板的振動(dòng)同時(shí)引起了TBCC排氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能的變化,達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后,推力、升力、俯仰力矩值分別增加0.68%、2.82%、5.86%。此外,還詳細(xì)討論了耦合過(guò)程中流場(chǎng)的演化過(guò)程,分析了轉(zhuǎn)級(jí)板的流固耦合作用機(jī)理,并指出了排氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能變化的原因。最后,開(kāi)展了針對(duì)支桿-鈍體結(jié)構(gòu)的氣熱耦合研究,比較了不同支桿長(zhǎng)度下(L/D=1、1.5、2、2.5)鈍體表面的溫度分布以及熱流向結(jié)構(gòu)內(nèi)的動(dòng)態(tài)傳播規(guī)律,分析了壁溫的升高對(duì)外流場(chǎng)以及鈍體阻力系數(shù)的影響。計(jì)算結(jié)果表明:較長(zhǎng)的支桿擁有更好的熱防護(hù)性能,即鈍體表面最高溫度較低,同時(shí)鈍體表面以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度升高也較為緩慢。此外,隨著耦合過(guò)程的進(jìn)行,逐漸升高的壁溫使得近壁面附面層流動(dòng)發(fā)生變化,進(jìn)而引起鈍體結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)的改變,以L/D=2.5為例,20s后其阻力系數(shù)降低了5.7%。
【關(guān)鍵詞】：多物理場(chǎng)耦合 流固耦合 氣熱耦合 動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性 CFD/CSD串行雙向耦合
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：V219
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-13
• 注釋表13-14
• 第一章 緒論14-22
• 1.1 研究背景及意義14-15
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.1 流固耦合研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.2 氣熱耦合研究現(xiàn)狀18-19
• 1.2.3 高超聲速條件下多物理場(chǎng)耦合研究現(xiàn)狀19-20
• 1.3 本文主要工作20-22
• 第二章 耦合數(shù)值算法22-29
• 2.1 流場(chǎng)求解方法22-23
• 2.1.1 流場(chǎng)控制方程與求解22-23
• 2.1.2 流場(chǎng)動(dòng)網(wǎng)格控制23
• 2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)/熱傳導(dǎo)計(jì)算方法23-25
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)求解23-25
• 2.2.2 結(jié)構(gòu)熱傳導(dǎo)求解25
• 2.3 耦合計(jì)算方法25-28
• 2.3.1 耦合邊界條件26
• 2.3.2 時(shí)域耦合方法26-27
• 2.3.3 空間耦合方法27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第三章 耦合算法校核29-40
• 3.1 流固耦合算法校核29-35
• 3.1.1 算例描述29-30
• 3.1.2 臨界馬赫數(shù)理論求解30-31
• 3.1.3 臨界馬赫數(shù)數(shù)值求解31-35
• 3.2 氣熱耦合算法校核35-39
• 3.2.1 算例描述35
• 3.2.2 計(jì)算模型與結(jié)果35-39
• 3.3 本章小結(jié)39-40
• 第四章 單邊膨脹噴管移動(dòng)板流固耦合研究40-49
• 4.1 耦合計(jì)算模型40-42
• 4.1.1 流場(chǎng)計(jì)算模型40-41
• 4.1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型41-42
• 4.2 數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性分析42-43
• 4.3 計(jì)算結(jié)果與分析43-48
• 4.3.1 板長(zhǎng) 180mm時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)43-46
• 4.3.2 不同調(diào)節(jié)位置時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)比46-47
• 4.3.3 移動(dòng)板厚度對(duì)流固耦合響應(yīng)的影響47-48
• 4.4 本章小結(jié)48-49
• 第五章 TBCC排氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)級(jí)板流固耦合研究49-62
• 5.1 耦合計(jì)算模型49-52
• 5.1.1 流場(chǎng)計(jì)算模型49-51
• 5.1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型51-52
• 5.2 數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性討論52-54
• 5.3 計(jì)算結(jié)果及分析54-60
• 5.3.1 穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析54
• 5.3.2 流固耦合動(dòng)態(tài)過(guò)程分析54-58
• 5.3.3 流固耦合對(duì)排氣系統(tǒng)性能的影響58-60
• 5.4 本章小結(jié)60-62
• 第六章 支桿鈍頭體結(jié)構(gòu)氣熱耦合研究62-77
• 6.1 耦合計(jì)算模型63-65
• 6.1.1 幾何模型63
• 6.1.2 流場(chǎng)計(jì)算模型63-64
• 6.1.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型64-65
• 6.2 數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性分析65-66
• 6.3 計(jì)算結(jié)果分析66-75
• 6.3.1 初始流場(chǎng)特征66-68
• 6.3.2 氣熱耦合分析68-72
• 6.3.3 減阻性能影響72-75
• 6.4 本章小結(jié)75-77
• 第七章 結(jié)論與展望77-80
• 7.1 結(jié)論77-78
• 7.2 展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-88
• 致謝88-89
• 在學(xué)期間的研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文89

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：987104