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高超声速滑移流动机理研究

罗凯  
【摘要】:高超声速临近空间飞行器的研究与设计必须细致考虑流动的稀薄气体效应的影响,需要精确预测流场特性及飞行器表面性质包括壁面热流量、压力和摩阻等,深入研究高超声速滑移流动机理包括理论分析、数值模拟和试验研究,开展高空高马赫数流动气动特性分析意义重大。本文采取的研究思路为程序编制,模型分析,数值模拟,最后是试验规划,这四部分的具体内容如下: 分析了分子方法、连续方法与混合方法在模拟高超声速滑移流动时的优势和不足,对比研究后认为,对于高超声速滑移流域的分析,采用N-S方程附加滑移模型,可以得到精度满意的结果,且计算代价较低,程序实现较为简单。本文根据流体动力学三维N-S方程,基于结构网格和有限体积法,运用M-AUSMPW+格式和LU-SGS隐式算法,编制了并行计算程序,通过与文献实验结果的对比,验证了程序的准确性。 对现有的主要滑移模型进行了细致的理论推导与分析,讨论了滑移模型的差别,通过数值模拟分析计算误差,认为改进型Maxwell滑移模型模拟效果相对较好。从分子运动论层次和流体动力学层次推导出高超声速滑移流动壁面热流计算模型,新增项从微观层次讲,表示单位时间、单位面积内由于分子碰撞而传入壁面的总能量;从宏观层次讲,表示单位时间内粘性应力输运的能量,并且从量级分析来看,新增项不可忽略。数值模拟结果显示,改进模型对热流的模拟效果有一定程度的改善。考察了壁面适应系数的研究进展,并指出了本文所研究的适应系数典型值。开展了高超声速滑移流气动热网格效应研究,表明在滑移流中壁面适应系数对热流收敛的影响并不显著,在滑移流区,一般取网格雷诺数为1-2即可。通过与两个高超声速滑移流动的实验数据的对比,验证了选用计算模型的准确性。 选取二维圆柱、三维球头、尖劈与平板等高超声速飞行器典型外形,对高超声速滑移流动流场特性与壁面特性进行了详细的数值模拟研究。通过选取0.5、0.75与1.0三种典型值,考察了壁面适应系数的影响;研究了来流马赫数对滑移流动的影响;通过选取来流努森数分别为0.002、0.01、0.05与0.25,研究了滑移流动区域上、下限内流动的变化规律。研究表明,努森数的增大使激波层增厚,粘性干扰作用增强,激波强度逐渐减弱,间断结构逐渐弱化;马赫数的增加强化了非平衡稀薄气体效应;壁面适应系数与粘性作用密切相关,适应系数的增大使粘性作用增强,非平衡稀薄气体效应减弱。最后,对高空高马赫数条件下耦合化学平衡效应的滑移流场特性展开了研究,表明考虑化学平衡效应使激波层变薄,波后压强升高,温度降低;壁面热流系数与滑移速度降低,且这一趋势随着稀薄程度的增大而加大。 对高超声速稀薄气体流动试验研究概貌进行了综述,从流场和气体/壁面界面两方面指出了研究中需要试验验证的地方,以此为基础,在理论分析与数值模拟的指导下,对高超声速滑移流动机理研究环境做了初步的规划,形成了针对高超声速滑移流的集流场显示、速度和温度测量以及气体/壁面相互作用研究的小型试验系统蓝图。


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