高超聲速氣動(dòng)力-熱-結(jié)構(gòu)多場耦合問題數(shù)值模擬技術(shù)研究.pdf

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著飛行器技術(shù)的迅猛發(fā)展，高超聲速飛行器受到世界各國的高度重視。高超聲速流動(dòng)問題中的關(guān)鍵問題之一是氣動(dòng)加熱問題，會(huì)造成飛行器結(jié)構(gòu)溫度升高，改變結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場分布，從而改變結(jié)構(gòu)材料的物理屬性。其中非均勻的溫度場會(huì)引起不可忽視的結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)材料特性的改變會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)模態(tài)的變化，對(duì)結(jié)構(gòu)的靜/動(dòng)熱氣動(dòng)彈性性質(zhì)造成極大的影響。美國在可重復(fù)使用高超巡航/入軌飛行器的研究方面一直走在世界的前面，先后提出了Falcon

2、、HyTech、Hyper-X等計(jì)劃，并指出了極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的預(yù)測的諸多顯著的技術(shù)難點(diǎn)，如流體、熱和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的耦合、大而復(fù)雜的耦合模型及計(jì)算成本等。
　　本文針對(duì)高超聲速飛行器氣動(dòng)力/熱/結(jié)構(gòu)耦合問題數(shù)值模擬技術(shù)中的相關(guān)關(guān)鍵計(jì)算技術(shù)開展了研究，包含氣動(dòng)力/熱計(jì)算中的時(shí)空離散方法、動(dòng)網(wǎng)格等，氣動(dòng)加熱/結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算技術(shù)中的計(jì)算模型、界面插值方法等，靜熱氣動(dòng)彈性計(jì)算技術(shù)中的計(jì)算流程、網(wǎng)格處理流程等，以及彈道狀態(tài)下熱氣動(dòng)彈性分析流程

3、、非定常氣動(dòng)加熱計(jì)算、模態(tài)坐標(biāo)下動(dòng)力學(xué)分析等方面。主要研究內(nèi)容如下：
　　首先，發(fā)展了力/熱/結(jié)構(gòu)多場耦合計(jì)算中的流場、結(jié)構(gòu)溫度場及結(jié)構(gòu)應(yīng)力場的數(shù)值模擬方法和程序。流場數(shù)值模擬程序適用于高速可壓縮流動(dòng)的定常/非定常無粘/粘性流場的氣動(dòng)力/熱的數(shù)值模擬。以混合網(wǎng)格為基礎(chǔ)，對(duì)流通量格式包含JST、AUSM格式，湍流模型為S-A模型，時(shí)間離散采用多步Runge-Kutta迭代和雙時(shí)間步長方法，并引入了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。結(jié)構(gòu)溫度場數(shù)值模擬方法以

4、有限體積法為基礎(chǔ)，包含了最小二乘法和高斯格林法兩種溫度梯度計(jì)算方法，時(shí)間迭代方法與流場數(shù)值模擬方法中的相同。結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬中單元采用等參單元，線性方程組的求解方法包含SOR，GMRES_m和CG等方法。通過若干算例對(duì)三個(gè)計(jì)算程序的計(jì)算模型、數(shù)值格式、計(jì)算精度等進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)比了不同方法求解線性方程組時(shí)的收斂效率。
　　其次，發(fā)展了一種能用于二維/三維、定常/非定常、氣動(dòng)加熱/結(jié)構(gòu)傳熱分析的一體化數(shù)值計(jì)算方法。采用統(tǒng)一的積分方程組作為

5、氣動(dòng)加熱和結(jié)構(gòu)傳熱物理過程的控制方程，對(duì)整個(gè)物理場進(jìn)行統(tǒng)一的有限體積方法離散，給出了流場與結(jié)構(gòu)交界面上溫度、溫度梯度及熱傳導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)的計(jì)算方法。針對(duì)流場與結(jié)構(gòu)交界面的網(wǎng)格尺度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響開展了研究，結(jié)果表明過大的網(wǎng)格尺度會(huì)引起計(jì)算的不準(zhǔn)確，而過小的網(wǎng)格尺度會(huì)使得計(jì)算量大大增加。通過耦合算法與一體化算法的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，一體化算法對(duì)于網(wǎng)格的敏感性小于耦合算法。
　　然后，以本文發(fā)展的氣動(dòng)加熱/結(jié)構(gòu)傳熱一體化求解方法為基礎(chǔ)，結(jié)合結(jié)構(gòu)靜

6、力學(xué)有限元方法，提出了一種新的靜熱氣動(dòng)彈性計(jì)算技術(shù)。開展了二元機(jī)翼的靜熱氣動(dòng)彈性計(jì)算，考察了溫升、攻角對(duì)靜熱氣動(dòng)彈性的影響，對(duì)比了均勻溫升和非均勻溫升的結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變分布情況。結(jié)果表明：當(dāng)溫升達(dá)到102量級(jí)時(shí)，對(duì)升阻力系數(shù)會(huì)有較大影響。在高超聲速飛行器設(shè)計(jì)中，溫度場的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要，非均勻溫升帶來的熱應(yīng)力的影響必須要加以考慮。
　　再次，發(fā)展了力/熱/結(jié)構(gòu)多場耦合計(jì)算中的彈道狀態(tài)氣動(dòng)加熱及氣動(dòng)彈性計(jì)算方法。采用Eule

7、r解與工程估算相結(jié)合的方法，同時(shí)耦合一維熱傳導(dǎo)方程，形成了一種彈道狀態(tài)長時(shí)氣動(dòng)加熱快速計(jì)算方法。在氣動(dòng)加熱計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，然后開展熱氣動(dòng)彈性計(jì)算。類X-37B飛行器彈道狀態(tài)的氣動(dòng)加熱計(jì)算結(jié)果表明高超聲速飛行器在彈道飛行時(shí)，外壁面的溫度會(huì)隨時(shí)間劇烈變化，而內(nèi)壁面溫度隨時(shí)間變化較為緩和，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)加熱有影響，能一定程度的降低結(jié)構(gòu)的最高溫度。彈道上的某一狀態(tài)的熱氣動(dòng)彈性計(jì)算研究表明氣動(dòng)加熱造成的結(jié)構(gòu)溫升使得結(jié)構(gòu)