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高超声速弹头气动热工程算法与数值传热

彭文杰  
【摘要】: 采用有限体积法,在非结构化网格上离散稳态导热方程,耦合迭代计算法向扩散项和切向扩散项,以满足高精度离散格式的要求。运用可视化语言Fortran95模块化完成了数值传热计算程序的编制,采用C++编写网格文件的接口程序,并对来自与Tecplot和GAMBIT的网格文件重新进行读取与编号,实现了网格前处理的兼容性。 在标准大气环境下,对球锥型弹头在5~8马赫高超声速来流时,采用工程算法计算弹头表面热通量。基本公式为费-里德尔(Fay-Riddell)平衡边界层驻点热流密度公式,李斯(Lees)层流热流分布公式。在二维零攻角来流情况下,考虑了两种流动状况,一种是完全层流无转捩;另一种为采用Batt边界层转捩准则来确定边界层转捩点。完全湍流区采用湍流热流计算公式确定其热流值,转捩过渡区热流由层流传热与湍流传热的加权平均值计算得到。 在三维有攻角来流情形下,弹体周向热流不再对称,结合上面的基本公式与经过适当修正的等价锥法,分析攻角对层流传热的影响。然后,采用一种简化的轴对称比拟法计算相同攻角来流条件下的弹体热流分布,并与等价锥法以及实验值相互比较,并得到了令人满意的一致性。 最后,在验证了自编气动热程序的正确性后,将上述工程算法得到的弹体表面热流值,线性化后作为第三类边界条件耦合到弹体热分析程序中,对弹体的温度场进行了数值模拟。 计算结果表明,湍流边界层传热会导致弹头高温区扩大,表面温度上升;随着攻角的增大,迎风面的热流值会增大,而且温度也会上升;而背风面的热流值会随着攻角的增大而减小,温度也会相应的有所降低。上述所得结论将为弹箭气动热设计和热防护提供了有价值的参考。


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