本文對高超聲速復(fù)雜外形火箭彈進(jìn)行了氣動熱防護(hù)的計(jì)算與研究。通過工程算法和數(shù)值算法耦合求解復(fù)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(jié)構(gòu)傳熱耦合計(jì)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(jì)算是高超聲速流動研究中的一個難題,目前,氣動熱的計(jì)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(fù)雜外形的氣動熱防護(hù)計(jì)算;求解Navier-Stokes方程的純數(shù)值算法對復(fù)雜外形具有很好的適應(yīng)性,且具有一定的計(jì)算精度,但是對計(jì)算機(jī)要求很高、計(jì)算效率低且計(jì)算時間長。本文以兩種方法的優(yōu)勢為基礎(chǔ),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(nèi)的氣動加熱通過工程算法計(jì)算,發(fā)展出了一套適用于高速復(fù)雜外形且計(jì)算成本較低、精度較高的氣動熱快速計(jì)算方法。本文方法主要分三部分,首先采用純數(shù)值方法計(jì)算無粘外流數(shù)值解,基于有限體積法實(shí)現(xiàn)歐拉方程的數(shù)值離散,空間離散采用二階迎風(fēng)Roe格式,時間離散選擇五步Runge-Kutta時間離散格式;其次,應(yīng)用工程算法求解邊界層內(nèi)的熱流密度,邊界層內(nèi)的熱流密度計(jì)算分為駐點(diǎn)和非駐點(diǎn)兩個區(qū)域,駐點(diǎn)區(qū)域采用Fay-Riddell熱流計(jì)算公式,非駐點(diǎn)區(qū)域選用平板熱流密度計(jì)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(dǎo)熱假設(shè),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(dǎo)熱微分方程的邊界條件,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(jīng)典鈍錐模型的氣動熱環(huán)境進(jìn)行了計(jì)算,并將鈍錐表面熱流密度與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,得到了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的結(jié)果,驗(yàn)證了本文無粘外流解與工程算法相耦合的氣動熱快速計(jì)算方法的有效性;其次,針對平板導(dǎo)熱問題,應(yīng)用一維導(dǎo)熱方程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將計(jì)算結(jié)果與解析解做了對比研究,結(jié)果表明本文一維導(dǎo)熱計(jì)算方法具有很高的精確性;最后,計(jì)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(dǎo)熱系數(shù)和主防熱層熱擴(kuò)散率對火箭彈的氣動加熱的影響規(guī)律。對復(fù)雜外形火箭彈的分析結(jié)果表明本文的計(jì)算方法能很好的滿足工程計(jì)算要求,提出的影響規(guī)律能夠?yàn)楦叱曀贇鈩訜岱雷o(hù)提供一定的參考依據(jù)。
【學(xué)位單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.1 純數(shù)值算法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.2 工程算法國內(nèi)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(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.2.4 氣動加熱耦合結(jié)構(gòu)傳熱的國內(nèi)研究現(xiàn)狀
    1.3 本文研究主要內(nèi)容
2 高速火箭彈外邊界層外緣參數(shù)計(jì)算方法
    2.1 數(shù)值計(jì)算與計(jì)算流體力學(xué)
        2.1.1 數(shù)值算法與計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展
        2.1.2 數(shù)值算法的特點(diǎn)
        2.1.3 計(jì)算流體力學(xué)控制方程
        2.1.4 數(shù)值計(jì)算的方法和分類
    2.2 網(wǎng)格的生成
    2.3 外流場參數(shù)計(jì)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(jì)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(jié)
3 考慮防熱層結(jié)構(gòu)的氣動熱參數(shù)計(jì)算
    3.1 網(wǎng)格的生成
    3.2 考慮防熱層的復(fù)雜外形火箭彈的氣動熱參數(shù)計(jì)算
        3.2.1 火箭彈邊界層外緣參數(shù)數(shù)值計(jì)算
        3.2.2 駐點(diǎn)位置的確定
        3.2.3 駐點(diǎn)熱流密度求解
        3.2.4 非駐點(diǎn)區(qū)域熱流密度求解
        3.2.5 防熱層的導(dǎo)熱微分方程
    3.3 防熱層材料的選取和求解假設(shè)
    3.4 平板導(dǎo)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(jì)算
        3.5.4 鈍錐表面熱流密度計(jì)算
        3.5.5 考慮防熱層的鈍錐氣動熱計(jì)算
    3.6 本章小結(jié)
4 考慮防熱層的復(fù)雜火箭彈的氣動加熱影響規(guī)律的研究
    4.1 復(fù)雜火箭彈結(jié)構(gòu)模型與網(wǎng)格劃分
    4.2 考慮防熱層的復(fù)雜外形火箭彈氣動熱計(jì)算
    4.3 零攻角時帶防熱層的復(fù)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(fù)雜外形火箭彈的結(jié)構(gòu)傳熱
    4.4 考慮攻角時帶防熱層的復(fù)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(jié)構(gòu)傳熱
    4.5 本章小結(jié)
5 總結(jié)與展望
    5.1 全文總結(jié)
    5.2 研究展望
致謝
參考文獻(xiàn)

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本文編號：2865200