高超声速飞行器滑移区气动热数值模拟研究

【摘要】：高超声速飞行器在大气中高速飞行时,气动加热严重。即使是在高空,由于气体密度的降低会导致气动热有一定程度的下降,飞行器表面气动热的严峻形势依然不容乐观。随着国内外对高空长时间高超声速飞行研究的迫切需求,进行相关气动热问题的研究已经迫在眉睫。 本文利用CFD方法,对高空滑移区的高超声速气动热问题进行了模拟研究。在滑移区,连续介质模型不完全适用,滑移效应的影响主要显现在边界上。本文仍然以三维可压缩定常N-S方程作为控制方程,采用有限体积法进行空间离散,选取M-AUSMPW+格式,利用LU-SGS隐式方法进行流场的模拟。针对实际流动中由于空气稀薄造成的物面速度滑移和温度跳跃,本文通过添加滑移边界条件进行了修正。 本文还针对不同的滑移条件进行了研究分析,并通过数值实验对各个条件的准确性、适用范围以及在实际使用中的优缺点进行了考察。对简单外形滑移流的模拟研究分析显示,在滑移区高超声速气动热数值模拟应用中,Maxwell滑移条件更有优势。 本文通过数值实验,研究了热流收敛网格的判定准则,以及稀薄效应对流场结构的影响和滑移区热流的变化规律。结果表明在连续流区使用的热流收敛壁面网格的判定准则,在滑移区已不再适用。针对滑移区的流动特点,本文对网格判定准则进行了改进。数值模拟结果表明,从连续流区到滑移流区,流场激波增厚、宏观物理量空间变化率减缓;同时滑移效应的存在对高超声速气动热的数值模拟带来影响,驻点热流下降。