跨流域高超声速气动环境--结构动态热力耦合一体化算法与航天器再入解体模拟

来源 :第九届全国流体力学学术会议 | 被引量 : 0次 | 上传用户:WZX10
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  如何准确可靠求解大型航天器寿命末期从外层空间无控陨落再入过程强气动力热环境致金属桁架结构变形失效解体非线性力学行为,是解决航天器任务完成后末期再入坠毁飞行航迹预报研制关键。本文介绍如何从Boltzmann方程碰撞积分物理分析与模型化研究出发,建立非平衡输运气体动理论统一算法及其与结构热力响应有限元算法耦合模拟技术,在无控陨落航天器再入解体可计算建模研究进展。
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高超声速飞行器气动加热精确预测一直是航空航天研究领域的难点和热点。由于新一代飞行器采用高升阻比外形设计,诸如机身-翼-舵连接处、进气道压缩面上将会形成复杂的分离-再附流动。再附点附近气动加热比较严重,因而峰值热流的大小和位置成为热防护系统设计的关键参数。前人的研究以实验和数值模拟为主,但由于对流动机理认识还不够清楚,工程中仍常遇到风洞实验热流测量重复性误差大和数值计算与实验数据偏差大的问题,亟需从
通过时间分辨阴影图像,光电探测以及红外探测等试验技术,对火箭推进剂四甲基乙二胺(TMEDA)和白色发烟硝酸(WFNA)液滴对心碰撞所引发的自点火现象进行了研究.主要研究的内容是液滴碰撞韦伯数(We=20-220)、WFNA和TMEDA液滴直径比(Δ=1.2-2.9)对自点火性以及点火延迟时间的影响.高速相机记录了TMEDA和WFNA液滴的碰撞、合并、混合、点火等一系列过程.研究发现,推进剂的气相点
对高超声速化学非平衡流动数值模拟的深入研究,对于相关航天技术的发展具有非常重要的意义。本文对比研究了不同的算法格式和不同的化学反应模型对化学非平衡流动数值结果的影响:重点采用TVD格式和WENO格式,对应用不同化学反应模型(五组分模型、七组分模型和十一组分模型)的典型高超声速绕流流场进行数值模拟分析,并与相关实验结果进行对比。
本文发展了给一种新型前/后缘型线可控的乘波体设计方法.基于马赫数分布可控曲面外锥形基准流场,采用流线追踪技术实现了前缘型线水平投影为超椭圆的乘波体设计(Waverider-F).在此基础上,进一步结合混合函数,完成了超椭圆前缘转超椭圆后缘的乘波体设计(Waverider-FT),并在设计点(Ma=6.0)对上述两种乘波体开展无粘数值计算.
以HIFiRE2超燃发动机试验为研究对象,分别对冷流和燃烧工况进行了三维CFD数值模拟。冷流工况采用Menter BSL κ-ω和Menter SST κ-ω湍流模型计算得到的壁面压力差别较大,其中Menter BSL κ-ω与试验结果吻合较好;结合有限速率/涡耗散模型(Finite Rate/Eddy Dissipation Model),采用不同的湍流模型计算的涡粘性差别很大,严重影响着分离涡
连续旋转爆轰发动机(CRDE)在航空航天推进技术领域有很好的应用价值和发展潜力。真实CRDE中燃料/氧化剂分开喷注,它们的混合过程极为复杂,并会显著影响爆轰特性。近期国际上开展的以RANS为主的非预混研究主要给出流场时均特征,缺乏对真实CRDE中湍流混合等非定常过程及其物理机理的揭示。本文采用大涡模拟方法,对非预混CRDE中燃料和氧化剂的混合过程及其主要机理开展深入研究。
高速飞行器飞行过程具有长时间、大空域、宽速域等特点,气动布局设计需兼顾高空高马赫数到低空低马赫数气动特性,以单一技术指标设计的高超声速飞行器和超声速飞行器难以满足全剖面气动性能要求,这对气动设计提出了严峻的挑战。围绕这一设计难题,本文从现有飞行器气动布局设计存在的问题,以及临近空间飞行任务对气动性能的要求出发,结合超、高超声速飞行器气动特性及流动机理差异,提出了大空域、宽速域可变形飞行器新概念,可
在高超声速飞行和激波风洞试验中,常会遇到强激波流动和高温真实气体效应问题。强激波后气体温度急剧升高,可能依次产生气体分子振动能激发、离解-复合化学反应、甚至电离辐射等物理化学现象,而且这些现象往往处于非平衡变化状态,对流动特征和气动力\热预测产生显著影响。由于问题复杂性,目前尚无成熟理论可用,工程上多采用数值计算和拟合经验公式来处理相关问题,但非平衡效应显著时,传统的实验和计算手段,以及天地换算相
本文采用数值模拟与工程估算耦合算法对乘波飞行器表面热流分布进行估算。依据锥导乘波体设计原则生成乘波构型,并对乘波体前缘进行钝化。依据普朗特边界层理论,将高超声速流场分为边界层外无粘流与边界层内粘性流动;边界层外数值求解欧拉方程获得边界层外缘流场参数,边界层内运用工程估算公式和参考焓等方法获得表面热流分布。结果 表明类乘波体驻点和前缘线区域气动加热严重,需要采取特殊的防护手段。
在超声速流动中,内部流场中气体温度可能很高,以致气体的比热不再是常数而与温度有关;此时的湍流特性如何值得研究。采用直接数值模拟方法(DNS),在比热非常值的假定下,对不同马赫数的超声速槽道湍流开展了研究。控制方程无粘部分在Steger-Warming矢通量分裂后采用7阶WENO格式离散,粘性部分采用8阶中心差分格式,时间方向推进采用显式的3阶Runge-Kutta方法。分析了变比热超声速槽道湍流的