高超聲速飛行器多物理場耦合問題建模與分析研究.pdf

1、在近空間大氣層內(nèi)能夠進行高超聲速遠程機動飛行的新一代吸氣式高超聲速飛行器具有極其重要的軍事戰(zhàn)略意義和廣泛的民用前景，是目前各航空航天大國的研究熱點。論文針對該類高超聲速飛行器在具有復雜流場、高焓、中低熱流和持續(xù)長時間氣動加熱等特征的氣動熱力學環(huán)境條件下所迫切需要解決的非燒蝕熱防護和熱氣動彈性等關(guān)鍵問題，重點開展了高超聲速流場、熱和結(jié)構(gòu)等多物理場耦合基礎(chǔ)物理問題的數(shù)值建模與分析研究。首先從物理本質(zhì)機理和系統(tǒng)工程角度全局性剖析了高超聲速流場

2、、熱和結(jié)構(gòu)等各物理場間復雜的耦合結(jié)構(gòu)關(guān)系，明確了多場耦合的層次關(guān)系和相關(guān)表征概念劃分；然后遵循從簡單到復雜、從局部到整體、循序漸進的研究理念，按照“先流后固，逐級耦合”的思路開展了以下幾個方面研究工作：
　　1）開展了高超聲速氣動熱力學耦合問題的建模與分析研究。分別考慮量熱完全氣體模型和高溫化學非平衡氣體模型，研究和發(fā)展了一套具有較高的預測精度和可靠性的適用于三維復雜流動問題的高超聲速氣動力/氣動熱的數(shù)值模擬方法。在方法研究基礎(chǔ)上

3、，集成研制了基于分區(qū)多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格系統(tǒng)的高超聲速氣動力/氣動熱的數(shù)值模擬程序。選取大量具有詳細試驗數(shù)據(jù)的典型算例進行了較為系統(tǒng)的驗證和評估研究。
　　2）開展了高超聲速流場-熱耦合問題的建模與分析研究。深入地分析了高超聲速流場-熱耦合問題的耦合機理過程，構(gòu)建了其多場耦合模型的數(shù)學物理描述，并提出了有效的耦合分析策略。在耦合分析策略的框架下，發(fā)展了一種自適應耦合計算時間步長方法，提出了一種綜合考慮耦合變量物理特性和不同插值方法特點的

4、混合插值策略，通過集成高超聲速氣動熱力學數(shù)值模擬程序和通用有限元熱傳導分析軟件，實現(xiàn)了高超聲速流場-熱耦合問題的多場耦合一體化分析程序平臺。以典型結(jié)構(gòu)模型為應用實例進行了高超聲速流場-熱耦合問題相關(guān)耦合特征和規(guī)律的分析研究。
　　3）開展了高超聲速流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合問題的建模與分析研究。深入地分析了高超聲速流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合問題的耦合機理過程，構(gòu)建了其多場耦合模型的數(shù)學物理描述，并提出了有效的耦合分析策略。在高超聲速流場-熱耦合問

5、題的多場耦合一體化分析方法基礎(chǔ)上，進一步擴展了混合插值策略的適用性，同時發(fā)展了一種快速的復雜外形網(wǎng)格變形方法，通過集成高超聲速氣動熱力學數(shù)值模擬程序和通用有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析軟件，進一步實現(xiàn)了高超聲速流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合問題的多場耦合一體化分析程序平臺。以典型結(jié)構(gòu)模型為應用實例進行了高超聲速流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合問題相關(guān)耦合特征和規(guī)律的分析研究。
　　4）開展了基于流場-熱-結(jié)構(gòu)耦合的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)問題研究。通過分析熱效應對固體結(jié)構(gòu)的固有

6、振動特性的影響機理，進一步研究和發(fā)展了基于多場耦合一體化的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)問題分析策略和方法。以典型高超聲速機翼結(jié)構(gòu)模型為應用實例進行了結(jié)構(gòu)熱模態(tài)特性的分析研究。
　　通過上述研究工作，本論文主要取得以下創(chuàng)新點：
　　1）針對高超聲速流場、熱和結(jié)構(gòu)等多物理場耦合問題開展了機理研究，分層次地構(gòu)建了合理的多場耦合數(shù)理模型；
　　2）提出了有效的多場耦合分析策略，并綜合形成了一套具有工程適用性的高效的多場耦合一體化分析方法。這些成