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《国防科学技术大学》 2010年
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高超声速气动热数值模拟方法及大规模并行计算研究

潘沙  
【摘要】:气动热一直是设计人员极为关切的重要问题。高速飞行器以超声速或高超声速在空中飞行,对前方气体剧烈压缩和粘性阻滞,使温度急剧升高,并产生离解、电离等反应,带来“热障”和“黑障”等一系问题。气动热对飞行器带来较大影响,必须准确预测飞行器的热环境,为热防护提供指导和参考。 本文对高超声速气动热开展了数值模拟研究。考虑量热完全气体条件和高温热化学非平衡条件建立了数值模拟方法,基于消息传递库,发展了两种气体模型的高超声速气动热并行计算方法,编制了相应的计算程序,开展了气动热并行计算研究。 通过对8种差分格式的计算分析,对比了各种格式对膨胀波、激波及接触间断的分辨率,讨论了各种格式的粘性机理和优劣。计算表明,差分格式对间断和粘性的处理,是提高格式精度和影响格式优劣的关键。其中迎风类格式具有符合信息的传播方向和耗散性能的天然优势,是当今格式发展的主流。其中AUSM类格式兼有FVS和FDS的优势,表现出良好的性能。应用五种限制器针对激波管Riemann问题进行了计算分析,研究表明采用限制器,通过MUSCL高阶插值方法,可以有效提高的计算效率和计算精度。使用中,应权衡压缩性和耗散性,合理选择限制器。 建立了量热完全气体模型的气动热数值模拟方法,对气动热数值模拟中的网格因素和收敛性进行了深入研究。气动热的数值模拟中,网格因素非常关键,计算结果对网格,特别是壁面附近的法向网格间距十分敏感。近壁面的巨大温度梯度是网格相关性敏感的主要原因。气动热数值模拟实践经验表明,壁面第一层网格雷诺数小于10的网格判别标准相对简单有效。气动热计算的收敛比压力缓慢的多,以压力和方程残值下降量级作为热流收敛判别标准是不适合的;而以机器零点为判别保证收敛,但太过耗时。相对而言,直接观察气动热数据的收敛是比较有效的方法。 建立了高温热化学非平衡条件下的气动热数值模拟方法,采用包含Park双温模型、Gupta空气多组分和有限速率化学反应模型的全NS方程进行气动热数值求解。对化学生成和振动能源项采用了隐式处理,发展了带有源项的LU-SGS数值求解方法,提高了计算效率。利用所建立的数值模拟方法,对二维和三维算例进行了气动热数值模拟研究,分析了热化学非平衡条件下,不同非平衡模型、热流构成及催化壁的影响。计算表明所建立的热化学非平衡流数值模拟方法具有较高的精度。 基于消息传递库(MPI),对量热完全气体模型和热化学非平衡模型的气动热数值模拟程序并行化处理,发展了适合复杂外形的多区大规模并行气动热计算软件。在自行搭建的PC集群并行系统和高性能集群系统上,通过多个算例,开展了气动热计算与分析,计算结果表明所发展的气动热并行计算软件具有较高的计算精度、并行效率和良好可扩展性,可以应用下进一步的工程计算中。
【学位授予单位】:国防科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:V211

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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2 张兵;高超声速多场耦合及其GPU计算加速技术研究[D];南京航空航天大学;2011年
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1 李伟;高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究[D];国防科学技术大学;2010年
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4 贺友龙;高超声速目标等离子体流场电磁特性数值模拟[D];南京理工大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
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7 杨炳渊;史哓鸣;梁强;;高超声速有翼导弹多场耦合动力学的研究和进展[A];第十届全国空气弹性学术交流会会议论文集[C];2007年
8 史晓鸣;杨炳渊;;气动加热环境下大攻角翼面超音速颤振分析[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
9 黄挺;余安远;乐嘉陵;;二维高超声速进气道起动马赫数下性能数值研究[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
10 蒋海军;阎超;;两级入轨飞行器激波间干扰绕流的数值模拟[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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10 李青蕊;高阶FV-WENO格式数值模拟基于抛物化Navier-Stokes方程的异重流[D];湘潭大学;2010年
【同被引文献】
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2 范晓樯,李桦,丁猛;钝头双锥体有攻角表面热流计算[J];兵工学报;2002年01期
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4 王浩,吴颂平,陆烨;高超音速化学非平衡流的隐式格式迭代解法[J];北京航空航天大学学报;2002年01期
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6 毛峡;胡海勇;黄康;梁晓庚;;飞机红外辐射及大气透过率计算方法[J];北京航空航天大学学报;2009年10期
7 刘桂珍;全贤锋;;浅谈喷油螺杆式空压机的日常维护[J];承钢技术;2007年01期
8 莫锦军,刘少斌,袁乃昌;非均匀等离子体覆盖目标隐身研究[J];电波科学学报;2002年01期
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1 周军莉;建筑蓄热与自然通风耦合作用下室内温度计算及影响因素分析[D];湖南大学;2009年
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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5 侯中喜;超声速复杂流场并行数值分析及高阶格式研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2000年
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5 余奇华;三维高超声速绕流流场并行算法研究[D];南京航空航天大学;2006年
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4 李明;高超声速低密度风洞气动热测量中的红外热图技术试验研究[D];中国人民解放军国防科学技术大学;2002年
5 李伟;高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究[D];国防科学技术大学;2010年
6 刘亚;高超声速飞行器气动热与热环境的数值计算研究[D];南京理工大学;2012年
7 常中东;高超声速滑翔式飞行器气动性能分析与评估[D];国防科学技术大学;2011年
8 贾志强;飞行器气动加热数值与工程结合计算方法研究[D];上海交通大学;2012年
9 彭文杰;高超声速弹头气动热工程算法与数值传热[D];南京理工大学;2010年
10 沈玲玲;空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析[D];西北工业大学;2006年
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