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大涡模拟应用研究及光船气动性能分析

郭良民  
【摘要】: 论文主要包括湍流大涡模拟应用研究和激光推进的光船外形优化及气动性能分析两部分。 综合分析和归纳了大涡模拟的发展历史和国内外研究现状,初步总结了大涡模拟的发展趋势、应用特点和存在的不足;在不可压大涡模拟理论分析的基础上,重点推导了在航天领域中应用更为普遍的可压缩大涡模拟控制方程;结合NND格式和高阶WENO格式,采用近壁修正的Smagorinsky亚格子模型,编程实现了可压缩大涡模拟的数值软件,并通过简单的喷管流动,检验了程序初步的合理性;由于大涡模拟计算代价较大,研究了不同问题大涡模拟应用的必要性,考虑无分离和有较大分离区的两类问题,数值模拟了二维超声速钝头体绕流和二维超声速后台阶绕流,并将结果与商用软件雷诺平均的计算结果进行比较,对于无分离的超声速钝头体流动,大涡数值模拟和雷诺平均的计算结果相差不大;对于有分离的超声速后台阶流动,大涡数值模拟的计算结果优于雷诺平均的计算结果,说明在无分离的超声速钝头体流动中不采用大涡数值模拟也能获得较高精度,而在有分离的超声速后台阶流动中采用大涡数值模拟能够取得较高的精度。 分析了激光推进技术的基本原理及其特点,对光船的气动性能进行了数值模拟,在流场分析的基础上,对光船的头部外形进行了优化,并给出了参数变化范围内的优化外形;为了进一步研究光船的飞行性能,对不同高度、不同速度和不同攻角等飞行条件下的三维光船气动性能进行了数值研究,研究表明:在亚声速情况下,阻力系数随攻角的增大而减小;超声速情况下,阻力系数随攻角增大而增大。攻角不变,亚声速情况下,阻力系数随速度的增大而减小;超声速情况下,阻力系数随速度的增大而增大。 在上述研究内容的工作过程中发现了不少问题,也有不少新的思路,最后给出了下一步工作的展望。


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