高超聲速鈍錐脈沖擾動流場及防護系統(tǒng)熱響應(yīng)分析.pdf

1、高超聲速飛行器在軌飛行過程中，往往會受到各種無法預(yù)知的擾動，擾動的存在對流場流動情況、飛行器的氣動熱力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)強度有著顯著影響，且擾動的多樣性和不確定性給飛行器的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn)。來流擾動進入高超聲速鈍錐繞流流場后，會與弓形激波和邊界層產(chǎn)生強烈的相互作用，使得邊界層的特征更為復(fù)雜，所以，高超聲速鈍錐擾動流場的研究是十分必要的。同時，當(dāng)飛行器受到空間碎片的撞擊，在熱防護系統(tǒng)表面會出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)的損傷，這些微小的損傷可能會導(dǎo)致整個熱防護系統(tǒng)

2、的失效。本文基于直接數(shù)值模擬方法及有限元法研究了高超聲速脈沖擾動流場及含有損傷的熱防護系統(tǒng)的熱響應(yīng)問題，主要的內(nèi)容如下：
　　1.介紹了高階精度的直接數(shù)值模擬方法，給出了其空間離散格式和時間離散格式。對于空間離散，N-S方程的無粘項通過通量矢量分裂方法分解成正通量項和負通量項，采用七階精度的加權(quán)本質(zhì)無振蕩算法進行離散，粘性項采用六階精度的中心差分格式進行離散；對于時間離散，采用顯式三階精度總變差減小的龍格-庫塔方法。并通過兩個經(jīng)典

3、的算例驗證了方法的有效性。
　　2.采用高階精度的直接數(shù)值模擬方法研究了來流脈沖擾動的高超聲速擾動流場的基本特征，并分析了擾動對壁面氣動熱力學(xué)參數(shù)的影響，同時，基于傅里葉頻譜分析探討了邊界層擾動模態(tài)的演化。結(jié)果表明，擾動對流場的影響可以分為擾動當(dāng)前效應(yīng)和擾動后效應(yīng)，擾動當(dāng)前效應(yīng)影響效果大但作用時間短，而擾動后效應(yīng)影響作用相對較小但持續(xù)時間長；擾動與激波和邊界層相互作用強烈，激波發(fā)生明顯的變形，擾動也被顯著地放大，且相互作用后在邊界

4、層內(nèi)外形成存在明顯分界的新擾動波；擾動對鈍錐頭部的影響明顯大于非頭部區(qū)域。
　　3.采用高階精度的直接數(shù)值模擬方法研究了不同壁面溫度條件的高超聲速定常流場及擾動流場的基本特征，分析了壁面溫度對高超聲速定常流場及擾動流場的影響，并基于傅里葉頻譜分析研究了邊界層擾動模態(tài)的壁溫效應(yīng)，分析了壁面溫度對邊界層內(nèi)擾動模態(tài)的影響。結(jié)果表明，壁面溫度越高，邊界層厚度越大，隨著流動向下游推進，鈍錐的邊界層會顯著增大；壁面溫度主要影響邊界層內(nèi)的流場，

5、其他區(qū)域影響很??；壁面溫度對邊界層內(nèi)擾動波模態(tài)的發(fā)展有著顯著地影響，對流場穩(wěn)定性起著重要作用。
　　4.基于有限元方法，研究了脈沖擾動過程中鈍錐體的熱響應(yīng)及壓力響應(yīng)特征，分析了鈍錐體力學(xué)特性的變化規(guī)律，探討了來流擾動波幅值對鈍錐體壓力響應(yīng)的影響，并對鈍錐體熱響應(yīng)及壓力響應(yīng)的力學(xué)特性進行了對比。結(jié)果表明，在擾動流場產(chǎn)生的壓力載荷作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大及應(yīng)變較小的區(qū)域始終出現(xiàn)在鈍錐的駐點及靠近鈍頭前緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的中心區(qū)域；隨著擾動波幅值

6、的增加，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力逐漸增大；隨著擾動向下游傳播，溫度載荷應(yīng)力場逐漸向下游擴大；比較擾動流場產(chǎn)生的壓力載荷，溫度載荷對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響更為顯著。
　　5.基于ABAQUS有限元軟件，對含有損傷的陶瓷隔熱瓦熱防護系統(tǒng)進行了熱力耦合分析，考慮損傷區(qū)域熱流密度的變化，研究了含有損傷的陶瓷瓦防護系統(tǒng)的熱力學(xué)響應(yīng)機制。并探討了不同的損傷尺寸和損傷位置對陶瓷瓦熱防護系統(tǒng)熱力學(xué)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，損傷的存在顯著地增加了熱防護結(jié)構(gòu)的最大溫度和最