表面凹槽對(duì)流動(dòng)及流固相互作用影響研究.pdf

1、航天飛機(jī)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(jì)的選取。本文針對(duì)航天飛機(jī)表面凹槽對(duì)流動(dòng)與氣動(dòng)熱特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,為表面材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考,進(jìn)而改善凹槽表面流動(dòng)及氣動(dòng)熱特性。
　　 本文分別建立了表面凹槽的二維與三維計(jì)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(duì)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(dòng)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(zhǎng)度(150mm、300mm)、凹槽個(gè)數(shù)(2、3)、壁面條件(等溫、絕熱)等對(duì)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(tái)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(tái)階處壓力、熱流密度與剪切力值不隨凹槽深度及前緣長(zhǎng)度的

3、變化而變化。沿流動(dòng)方向下游凹槽個(gè)數(shù)增多,對(duì)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(shí)表面壓力與剪切力比等溫條件時(shí)大,因此對(duì)材料的耐力物性要求高。馬赫數(shù)為7時(shí),壓力的數(shù)量級(jí)為103pa,熱流密度的數(shù)量級(jí)為105W／m2,剪切力的數(shù)量級(jí)在102N,為表面材料選取提供依據(jù)。
　　 隨后,在對(duì)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(dòng)與氣動(dòng)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(duì)稱性。取一側(cè)凹槽邊緣線為研究對(duì)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(duì)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(duì)稱性減弱。通過對(duì)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(tái)階處,三維模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果大于二維模型的結(jié)果,三維模型迎風(fēng)臺(tái)階處多方向上流動(dòng)的交匯可能是造成該差異的主要原因。
　　 本文對(duì)比來流Ma=9.85,縫隙的寬度、長(zhǎng)度及深度分別為2mm、100mm、25mm在不同攻角、側(cè)滑角下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)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(jì)算問題中的可行性。其次對(duì)比槽寬為140mm,寬深比分