本文對高超聲速復雜外形火箭彈進行了氣動熱防護的計算與研究。通過工程算法和數(shù)值算法耦合求解復雜外形火箭彈的氣動熱參數(shù),然后將氣動熱參數(shù)與防熱層結構傳熱耦合計算得到非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下防熱層的溫度分布規(guī)律。高超聲速氣動熱計算是高超聲速流動研究中的一個難題,目前,氣動熱的計算方法主要有工程算法與純數(shù)值算法。工程算法精度較高,但不適用于復雜外形的氣動熱防護計算;求解Navier-Stokes方程的純數(shù)值算法對復雜外形具有很好的適應性,且具有一定的計算精度,但是對計算機要求很高、計算效率低且計算時間長。本文以兩種方法的優(yōu)勢為基礎,采用無粘外流數(shù)值解作為邊界層外緣參數(shù),而邊界層內的氣動加熱通過工程算法計算,發(fā)展出了一套適用于高速復雜外形且計算成本較低、精度較高的氣動熱快速計算方法。本文方法主要分三部分,首先采用純數(shù)值方法計算無粘外流數(shù)值解,基于有限體積法實現(xiàn)歐拉方程的數(shù)值離散,空間離散采用二階迎風Roe格式,時間離散選擇五步Runge-Kutta時間離散格式;其次,應用工程算法求解邊界層內的熱流密度,邊界層內的熱流密度計算分為駐點和非駐點兩個區(qū)域,駐點區(qū)域采用Fay-Riddell熱流計算公式,非駐點區(qū)域選用平板熱流密度計算公式,工程算法的邊界層外緣參數(shù)由純數(shù)值無粘外流解提供;最后,采用一維導熱假設,忽略防熱層之間的接觸熱阻,將工程算法得到的熱流密度作為求解導熱微分方程的邊界條件,實現(xiàn)結構傳熱和氣動加熱的耦合,最終得到長航時條件下防熱層的溫度分布規(guī)律。本文首先針對經典鈍錐模型的氣動熱環(huán)境進行了計算,并將鈍錐表面熱流密度與實驗數(shù)據(jù)進行對比,得到了與實驗結果相吻合的結果,驗證了本文無粘外流解與工程算法相耦合的氣動熱快速計算方法的有效性;其次,針對平板導熱問題,應用一維導熱方程進行了數(shù)值模擬,并將計算結果與解析解做了對比研究,結果表明本文一維導熱計算方法具有很高的精確性;最后,計算了考慮防熱層的高超聲速火箭彈的氣動熱環(huán)境,分析了防熱層最外層導熱系數(shù)和主防熱層熱擴散率對火箭彈的氣動加熱的影響規(guī)律。對復雜外形火箭彈的分析結果表明本文的計算方法能很好的滿足工程計算要求,提出的影響規(guī)律能夠為高超聲速氣動熱防護提供一定的參考依據(jù)。
【學位單位】：南京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TJ415
【文章目錄】：
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景與意義
    1.2 國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 純數(shù)值算法國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 工程算法國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.3 數(shù)值算法和工程算法耦合算法的國內外研究現(xiàn)狀
        1.2.4 氣動加熱耦合結構傳熱的國內研究現(xiàn)狀
    1.3 本文研究主要內容
2 高速火箭彈外邊界層外緣參數(shù)計算方法
    2.1 數(shù)值計算與計算流體力學
        2.1.1 數(shù)值算法與計算流體力學的發(fā)展
        2.1.2 數(shù)值算法的特點
        2.1.3 計算流體力學控制方程
        2.1.4 數(shù)值計算的方法和分類
    2.2 網格的生成
    2.3 外流場參數(shù)計算
        2.3.1 邊界層外無粘流控制方程
        2.3.2 離散方程求解
        2.3.3 空間離散格式
        2.3.4 時間離散格式
    2.4 外流場參數(shù)計算算例分析
        2.4.1 二維模型算例
        2.4.2 三維模型算例
    2.5 本章小結
3 考慮防熱層結構的氣動熱參數(shù)計算
    3.1 網格的生成
    3.2 考慮防熱層的復雜外形火箭彈的氣動熱參數(shù)計算
        3.2.1 火箭彈邊界層外緣參數(shù)數(shù)值計算
        3.2.2 駐點位置的確定
        3.2.3 駐點熱流密度求解
        3.2.4 非駐點區(qū)域熱流密度求解
        3.2.5 防熱層的導熱微分方程
    3.3 防熱層材料的選取和求解假設
    3.4 平板導熱算例分析
    3.5 鈍錐算例分析
        3.5.1 鈍錐幾何模型
        3.5.2 鈍錐飛行環(huán)境
        3.5.3 邊界層外緣參數(shù)計算
        3.5.4 鈍錐表面熱流密度計算
        3.5.5 考慮防熱層的鈍錐氣動熱計算
    3.6 本章小結
4 考慮防熱層的復雜火箭彈的氣動加熱影響規(guī)律的研究
    4.1 復雜火箭彈結構模型與網格劃分
    4.2 考慮防熱層的復雜外形火箭彈氣動熱計算
    4.3 零攻角時帶防熱層的復雜外形火箭彈算例分析
        4.3.1 零攻角時火箭彈的外流場參數(shù)
        4.3.2 復雜外形火箭彈的結構傳熱
    4.4 考慮攻角時帶防熱層的復雜外形火箭彈算例分析
        4.4.1 考慮攻角時火箭彈的外流場參數(shù)
        4.4.2 有攻角時火箭彈的結構傳熱
    4.5 本章小結
5 總結與展望
    5.1 全文總結
    5.2 研究展望
致謝
參考文獻

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本文編號：2865200