表面凹槽對流動及流固相互作用影響研究.pdf

1、航天飛機高速飛行中表面凹槽局部熱分布及力分布決定表面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計的選取。本文針對航天飛機表面凹槽對流動與氣動熱特性的影響進行了數(shù)值模擬研究,為表面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考,進而改善凹槽表面流動及氣動熱特性。
　　 本文分別建立了表面凹槽的二維與三維計算模型,研究不同來流條件,凹槽結(jié)構(gòu)幾何參數(shù),壁面條件對凹槽表面熱流密度,壓力與剪切力的影響。給出了流態(tài)及熱流密度,壓力和剪切力的分布。
　　 首先數(shù)值模擬了二維凹槽表面流動與

2、熱分布,研究了馬赫數(shù)(7、6、5、4)、攻角(10°、5°、0°、-5°、10°)、寬度(0.5mm、1mm、2mm)、深度(15mm、25mm、30mm)、前緣長度(150mm、300mm)、凹槽個數(shù)(2、3)、壁面條件(等溫、絕熱)等對表面參數(shù)(壓力、熱流密度、剪切力)的影響。結(jié)果表明:凹槽迎風(fēng)臺階處壓力、熱流密度與剪切力值隨著馬赫數(shù)及寬度增大而增加,而隨著攻角的增大而減小。迎風(fēng)臺階處壓力、熱流密度與剪切力值不隨凹槽深度及前緣長度的

3、變化而變化。沿流動方向下游凹槽個數(shù)增多,對上游凹槽表面壓力、熱流密度與剪切力值無影響。壁面為絕熱條件時表面壓力與剪切力比等溫條件時大,因此對材料的耐力物性要求高。馬赫數(shù)為7時,壓力的數(shù)量級為103pa,熱流密度的數(shù)量級為105W／m2,剪切力的數(shù)量級在102N,為表面材料選取提供依據(jù)。
　　 隨后,在對二維凹槽模擬研究的基礎(chǔ)上,建立凹槽的三維模型。并數(shù)值模擬了該三維模型在典型來流條件下,凹槽內(nèi)的流動與氣動熱特征；選定結(jié)構(gòu)板塊,分

4、析在板塊不同方向上壓力、熱流密度與剪切力的分布規(guī)律。結(jié)果表明:在側(cè)滑角為0°條件下,板塊左右方向分布具有對稱性。取一側(cè)凹槽邊緣線為研究對象,研究在此方向上馬赫數(shù)(7.1、6.1、5.1、4.1)、攻角(10°、5°、-5°、-10°)、側(cè)滑角(10°、20°、30°、40°)對壓力、熱流密度與剪切力的影響。模擬結(jié)果表明,表面壓力、熱流密度與剪切力值隨著Ma數(shù)的增大而增大,但隨著攻角與側(cè)滑角的增加而減小。并且在側(cè)滑角不為0°條件下,板塊左

5、右方向上對稱性減弱。通過對比發(fā)現(xiàn),三維模型與二維模型在凹槽間平板上各參數(shù)值相近,而在凹槽迎風(fēng)臺階處,三維模型參數(shù)計算結(jié)果大于二維模型的結(jié)果,三維模型迎風(fēng)臺階處多方向上流動的交匯可能是造成該差異的主要原因。
　　 本文對比來流Ma=9.85,縫隙的寬度、長度及深度分別為2mm、100mm、25mm在不同攻角、側(cè)滑角下的實驗結(jié)果,驗證了所建立的數(shù)理模型與數(shù)值模擬方法在凹槽熱流密度計算問題中的可行性。其次對比槽寬為140mm,寬深比分