高超声速内外流一体化飞行器动态特性研究

【摘要】：基于三维非定常RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方程和SA一方程湍流模型,采用数值模拟方法开展了高超声速内外流一体化飞行器动态特性研究。空间方向上的离散采用具有二阶精度的Roe格式,非定常流动求解采用“双时间步”(Dual-time-step)方法的隐式LU-SGS格式。在Etkin非定常气动力模型基础上,给出了小振幅强迫振动下的俯仰、偏航和滚转三方向直接阻尼导数的强迫简谐分析方法,并发展了包括交叉导数、交叉耦合导数在内的多种动导数辨识方法。 为了验证数值方法的可靠性,本文针对HBS(Hyper Ballistic Shape)外形和Finner标模,数值模拟了小振幅强迫振动下的非定常流场特性及气动力/力矩特性。通过对强迫运动过程得到的气动力迟滞曲线辨识出相应的动态稳定性参数(动导数),分析了减缩频率、子迭代步数和网格规模对动导数辨识结果的影响。通过与实验结果的比较表明本文计算结果与实验吻合,验证了非定常流场计算和动导数辨识方法的可靠性。 本文在搜集X-51机体/推进一体化飞行器背景资料的基础上,利用功能强大的CAD软件Catia生成了类X-51外形的三维几何数模。针对类X-51外形开展了进气道堵塞和进气道通流两种外形下的定常和非定常流场数值计算,分析了两种外形下的静态气动特性。在此基础上,以定态流场作为非定常流场计算的初场,对小振幅强迫振动下的进气道堵塞和进气道通流两种外形开展了非定常流场数值模拟。采用基于Etkin非定常气动力模型所发展的多种动导数辨识方法对两种外形的非定常流场数据进行动导数辨识,给出了进气道堵塞和通流两种外形下的俯仰、偏航、滚转阻尼导数和交叉导数,并对两种外形下的计算结果开展了初步分析。