為了提高氣動加熱與熱防護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱多物理場數(shù)值模擬的穩(wěn)態(tài)計算效率與計算精度,發(fā)展了一種基于有限體積法的氣動加熱與結(jié)構(gòu)傳熱一體化數(shù)值計算方法。該方法將高速流場與結(jié)構(gòu)溫度場統(tǒng)一到同一物理場,基于統(tǒng)一的控制方程組,采用基于LU-SGS隱式時間迭代和自適應(yīng)時間步長的有限體積方法進(jìn)行求解,避開了傳統(tǒng)氣動加熱與結(jié)構(gòu)傳熱耦合求解方法在時間域內(nèi)的所需繁瑣數(shù)據(jù)交替迭代策略。對二維/三維鈍體進(jìn)行一體化數(shù)值計算分析,計算結(jié)果表明:二維鈍體非穩(wěn)態(tài)下,得到2s時圓管駐點溫度最高達(dá)到390.2K,駐點熱流密度和結(jié)構(gòu)溫度與參考文獻(xiàn)和實驗值吻合較好,證明了方法的可靠性和可行性。同時分析了三維鈍體應(yīng)用算例的流-固-熱穩(wěn)態(tài)計算特征,計算得到穩(wěn)態(tài)時鈍頭體結(jié)構(gòu)外壁表面最高溫度達(dá)到535.6K,表明一體化計算方法可用于長航時飛行條件下的氣動加熱-結(jié)構(gòu)傳熱多物理場耦合計算分析,為高速飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計與選材提供一定的理論與技術(shù)支持。 

【文章來源】：推進(jìn)技術(shù). 2019,40(01)北大核心

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

給出了圓管表面壓強分布（歸一

第40卷第1期鈍體外形氣動加熱與結(jié)構(gòu)傳熱一體化數(shù)值模擬41Fig.13ComputationalmodelandmeshesTable5ComparisonoftheheatfluxonstagnationpointItemqs/(kW/m2)Present22.55Exp.［6］215.8Error/%4.5圖14為初始時刻鈍頭體各截面歸一化熱流密度分布與實驗值的對比，可以看出在各截面處本文的熱流計算分布結(jié)果與實驗值［30］吻合較好，驗證了氣動加熱與結(jié)構(gòu)傳熱一體化計算方法的正確性，其中，0°，180°，90°的曲線分別位于鈍頭體上表面、下表面與側(cè)面。同時從圖中可以看出，迎風(fēng)面的熱流值遠(yuǎn)大于背風(fēng)面的熱流值。另外，上表面的曲線隨著x坐標(biāo)的增大而下降，而下表面的曲線則是先上升后下降，原因是來流攻角較大，駐點并不位于頭點，而是位于鈍頭體頂部偏下的位置。Fig.14Comparisonsbetweenpredictedandexperimentalheatfluxdistribution圖15分別給出了穩(wěn)態(tài)時流場溫度與鈍頭體結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度分布云圖。從溫度分布云圖可以看出，同樣由于攻角的存在，流場駐點高溫區(qū)并不是位于頭點（x坐標(biāo)最小的點）處，而是位于頭點偏下位置，且與鈍頭體結(jié)構(gòu)內(nèi)高溫區(qū)位置一致，這與圖14中初始時刻表面熱流分布規(guī)律相同。Fig.15Steadycomputedresultsofbluntbody圖16所示為對稱面內(nèi)流場與鈍頭體結(jié)構(gòu)溫度場溫度分布云圖，可以看出流場溫度明顯高于結(jié)構(gòu)溫度場溫度，流場最高溫度達(dá)到1109.4K。對比鈍頭體結(jié)構(gòu)溫度場上下部分，可以發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)面區(qū)域結(jié)構(gòu)溫度整體高于背風(fēng)面區(qū)域。圖17為對稱面內(nèi)鈍頭體結(jié)構(gòu)內(nèi)外壁面溫度分布曲線（內(nèi)壁面取近壁面參數(shù)），x坐標(biāo)為模型對稱軸（頂點為原點）。從曲線可以看出對稱面內(nèi)結(jié)構(gòu)內(nèi)最高溫度并不位于原點位置，這與流場內(nèi)駐點

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高超聲速進(jìn)氣道前緣流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[J]. 張勝濤,陳方,劉洪.  空氣動力學(xué)學(xué)報. 2017(03)
[2]高超聲速飛行器流-熱-固耦合研究現(xiàn)狀與軟件開發(fā)[J]. 桂業(yè)偉,劉磊,代光月,張立同.  航空學(xué)報. 2017(07)
[3]高超聲速流場與結(jié)構(gòu)溫度場一體化計算方法[J]. 季衛(wèi)棟,王江峰,樊孝峰,趙法明.  航空動力學(xué)報. 2016(01)
[4]高超聲速飛行器表面溫度分布與氣動熱耦合數(shù)值研究[J]. 董維中,高鐵鎖,丁明松,江濤,劉慶宗.  航空學(xué)報. 2015(01)
[5]高超聲速熱化學(xué)非平衡鈍體繞流數(shù)值模擬[J]. 楊愷,原志超,朱強華,高效偉.  推進(jìn)技術(shù). 2014(12)
[6]高超聲速復(fù)雜氣動問題數(shù)值方法研究進(jìn)展[J]. 王江峰,伍貽兆,季衛(wèi)棟,樊孝峰,趙法明,呂偵軍.  航空學(xué)報. 2015(01)
[7]高超聲速氣動熱數(shù)值計算壁面網(wǎng)格準(zhǔn)則[J]. 張智超,高振勛,蔣崇文,李椿萱.  北京航空航天大學(xué)學(xué)報. 2015(04)
[8]Ma5斜激波串動態(tài)特性實驗研究[J]. 田旭昂,王成鵬,程克明.  推進(jìn)技術(shù). 2014(08)
[9]類航天飛機前身結(jié)構(gòu)與高超聲速流場的耦合傳熱模擬分析[J]. 李鵬飛,吳頌平.  航空動力學(xué)報. 2010(08)
[10]鈍體高超聲速氣動加熱與結(jié)構(gòu)熱傳遞耦合的數(shù)值計算[J]. 夏剛,劉新建,程文科,秦子增.  國防科技大學(xué)學(xué)報. 2003(01)

博士論文
[1]高超聲速飛行器防熱壁板氣動熱彈性耦合建模與分析[D]. 程興華.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2012

碩士論文
[1]高超聲速飛行器流熱固多物理場耦合計算研究[D]. 黃杰.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2013



本文編號：3036391