高超聲速飛行器關(guān)鍵部件的多物理場耦合研究.pdf

1、吸氣式高超聲速飛行器在飛行時所經(jīng)歷的氣動環(huán)境非常復(fù)雜，流-固-熱多物理場耦合現(xiàn)象突出，因此，針對其典型部件開展多物理場耦合研究對飛行器的設(shè)計與控制具有重要意義。本文采用基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Solid Dynamics)的多物理場耦合方法，將流場求解器FLUENT與結(jié)構(gòu)/熱求解器ABAQUS耦合起來，通過耦合接口軟件MpCCI(Mesh-based pa

2、rallel Code Coupling Interface)實現(xiàn)物理場間數(shù)據(jù)的交換與耦合流程的控制，并選取三個高超聲速飛行器關(guān)鍵部件，依次對其開展相應(yīng)的多物理場耦合分析。
　　首先，依次選取超聲速壁板顫振問題與Ma6.47圓柱繞流問題為校核對象，通過與理論分析結(jié)果、具體實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證了基于MpCCI的CFD/CSD方法在超/高超聲速條件下流固、氣熱耦合計算的準(zhǔn)確性。
　　然后，開展了針對單邊膨脹噴管移動板結(jié)構(gòu)的流固

3、耦合研究，重點關(guān)注不同板長（150，180mm）與板厚（5，7mm）下流固耦合效應(yīng)對噴管氣動性能的影響。計算結(jié)果表明：板厚相同時（5mm），較短移動板的氣動性能較差，但動態(tài)性能較好：升力減小9.9％，而響應(yīng)時間縮短44.7%；當(dāng)移動板長度相同時（180mm），較厚的板同時擁有好的氣動與動態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)升力提高0.98%，冷熱態(tài)俯仰力矩差減小10.5%，且響應(yīng)時間減小40.4%。
　　其次，開展了針對TBCC排氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)級板的流固耦合研

4、究，計算結(jié)果表明：在渦輪側(cè)高壓的作用下，轉(zhuǎn)級板向下振動且最大振幅達(dá)到3.58mm，占轉(zhuǎn)級板總長的0.89%。但在阻尼的耗能作用下，轉(zhuǎn)級板的振幅不斷減小并最終達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)級板Tip點向下位移1.88mm。轉(zhuǎn)級板的振動同時引起了TBCC排氣系統(tǒng)氣動性能的變化，達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后，推力、升力、俯仰力矩值分別增加0.68%、2.82%、5.86%。此外，還詳細(xì)討論了耦合過程中流場的演化過程，分析了轉(zhuǎn)級板的流固耦合作用機理，并指出了

5、排氣系統(tǒng)氣動性能變化的原因。
　　最后，開展了針對支桿-鈍體結(jié)構(gòu)的氣熱耦合研究，比較了不同支桿長度下（L/D=1、1.5、2、2.5）鈍體表面的溫度分布以及熱流向結(jié)構(gòu)內(nèi)的動態(tài)傳播規(guī)律，分析了壁溫的升高對外流場以及鈍體阻力系數(shù)的影響。計算結(jié)果表明：較長的支桿擁有更好的熱防護性能，即鈍體表面最高溫度較低，同時鈍體表面以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度升高也較為緩慢。此外，隨著耦合過程的進(jìn)行，逐漸升高的壁溫使得近壁面附面層流動發(fā)生變化，進(jìn)而引起鈍體結(jié)構(gòu)