高超声速飞行器磁流体逆向喷流减阻数值模拟研究

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高超声速飞行器因其在速度方面的绝对优势,在民用运输以及国防军事方面有着重要的战略地位,世界各国都十分重视高超声速飞行技术,其中减阻和热防护一直是飞行器发展要解决的两个重要问题。高超声速飞行器飞行时与空气来流摩擦转化为热量,这些热量会产生复杂的物理现象,其中最明显的就是热电离,其使飞行器周围的流体具备一定的导电性,如何利用这一特性来控制飞行器周围的流场从而达到减阻和降热的目的也成为一研究热点。本文在已有逆向喷流和磁场控制研究的基础上,数值模拟了在高超声速飞行下磁场对半球体飞行器磁流体逆向喷流的干扰作用,分析了磁场干扰作用下对飞行器的减阻效果。建立了偶极子磁场作用下磁流体逆向喷流的计算模型,对数值求解方发通过仿真验证计算方法的有效性。进而对不同强度偶极子磁场和磁流体的相互作用进行研究,分析了不同磁场强度条件下逆向喷流的流场结构以及各流场参数。结果显示,随着磁场强度的增加,激波脱体距离在一定范围内增加,激波在半球体两侧逐渐变宽,阻力系数减小,在激波层与半球体之间的流体速度等参数数值逐渐降低。分析了在相同磁场条件下不同喷压比对于偶极子磁场和带电流体的影响。结果表明,随着喷压比的增加,激波脱体距离增加,半球体表面压力、温度等逐渐下降,并且在半球体表面的压力峰值位置发生变化。此外还分析了在相同条件不同马赫数来流下,偶极子磁场和带电流体相互作用的影响,包括不同来流马赫数下,磁场和带电流体相互作用下的流场结构变化,半球体表面压力的变化情况,以及激波脱体距离和阻力系数的变化。研究发现,当来流马赫数增加时,激波脱体距离减小,半球体表面压力逐渐上升,阻力系数增大。通过建立均匀磁场作用下的计算模型,模拟了均匀磁场下的流场结构,分析了激波脱体距离与阻力系数的变化规律。计算结果显示,均匀磁场可以使流场结构发生明显改变;当添加磁场以后,激波脱体距离随磁场强度的增加而增大,阻力系数随着磁场强度的增大而逐渐降低。
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