稀薄流氣動(dòng)熱與結(jié)構(gòu)傳熱數(shù)值模擬研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來，氣動(dòng)熱問題一直受到設(shè)計(jì)人員的極大關(guān)注，高超聲速飛行器在飛行過程中會(huì)對(duì)前方空氣強(qiáng)烈壓縮，這會(huì)導(dǎo)致空氣溫度急劇升高，與飛行器物面形成巨大溫差，空氣中的熱能以對(duì)流和激波輻射的方式傳遞給飛行器表面就形成了氣動(dòng)加熱。氣動(dòng)加熱對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度等產(chǎn)生較大影響，必須準(zhǔn)確預(yù)測(cè)飛行器的氣動(dòng)熱環(huán)境以及結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)加熱作用下的溫度變化特性，為飛行器的氣動(dòng)熱分析及熱防護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。
　　本文對(duì)稀薄流域高超聲速飛行器的氣動(dòng)熱與結(jié)構(gòu)傳熱

2、問題開展了數(shù)值模擬研究?；谙”×鱀SMC氣動(dòng)熱數(shù)值模擬方法，深入研究了不同氣體物面作用模型以及化學(xué)反應(yīng)對(duì)氣動(dòng)熱的影響，發(fā)展了DSMC方法中的高效處理技術(shù)，將DSMC數(shù)值模擬方法與結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種可適用于全機(jī)外形復(fù)雜流場(chǎng)的高超聲速稀薄流氣動(dòng)加熱耦合計(jì)算方法。
　　首先，對(duì)分子氣體動(dòng)力學(xué)的基本理論以及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格DSMC方法的實(shí)現(xiàn)策略展開了研究。從速度分布函數(shù)、氣體宏觀量描述、二體彈性碰撞中的力學(xué)機(jī)理等方面闡述了稀薄

3、氣體動(dòng)力學(xué)理論，細(xì)致討論了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格DSMC方法的基本原理以及實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)及計(jì)算流程。編寫了相應(yīng)的數(shù)值求解程序并通過數(shù)值算例對(duì)程序進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　其次，研究了不同氣體物面作用模型對(duì)稀薄流飛行器氣動(dòng)熱特性的影響。發(fā)展了一種基于輻射平衡的物面溫度邊界條件并給出了具體構(gòu)造過程，能夠克服恒溫物面溫度邊界條件的自身缺陷并且能夠在流場(chǎng)模擬中適時(shí)給出更貼近真實(shí)情況的物面溫度。細(xì)致討論了鏡面反射模型、完全漫反射模型以及由鏡面反射模型和完全滿

4、反射模型組合而成的Maxwell物面反射模型在DSMC方法中實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。最后通過數(shù)值算例對(duì)比并分析了不同溫度邊界條件以及氣體物面反射模型對(duì)氣動(dòng)熱特性的影響。
　　然后，研究了化學(xué)反應(yīng)對(duì)稀薄流飛行器氣動(dòng)熱特性的影響。論述了化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)以及Bird的唯象化學(xué)反應(yīng)模型，并推導(dǎo)了不同分子碰撞模型下的反應(yīng)概率表達(dá)式。給出了高溫空氣中的5組元離解、復(fù)合及置換反應(yīng)機(jī)理及其在DSMC方法中的實(shí)現(xiàn)。在5組元混合氣體模型DSMC方法的基礎(chǔ)上，

5、進(jìn)一步發(fā)展了11組元混合氣體模型DSMC方法，針對(duì)稀薄流場(chǎng)中電子出現(xiàn)帶來的實(shí)際困難，引入“捆綁法”思想處理電子在流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，并詳細(xì)討論了不同類型電離反應(yīng)發(fā)生的機(jī)理。編寫了考慮5組元和11組元混合氣體模型的DSMC計(jì)算程序并采用數(shù)值算例對(duì)程序進(jìn)行了驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上通過采用不同組元混合氣體模型研究了化學(xué)反應(yīng)對(duì)稀薄流飛行器氣動(dòng)熱特性的影響。
　　接著，針對(duì)稀薄流域高超聲速飛行器的氣動(dòng)熱與結(jié)構(gòu)傳熱問題，通過引入牛頓冷卻定律，將DSMC數(shù)

6、值模擬方法與結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種可對(duì)全機(jī)外形進(jìn)行氣動(dòng)熱和結(jié)構(gòu)傳熱計(jì)算的高效松耦合方法，實(shí)現(xiàn)了防熱層結(jié)構(gòu)材料溫度分布特性的數(shù)值模擬。最后對(duì)發(fā)展的稀薄流氣動(dòng)加熱耦合計(jì)算方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，并在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值算例分析討論了化學(xué)反應(yīng)對(duì)受熱計(jì)算的影響。
　　最后，研究了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格DSMC方法中的高效處理方法。引入碰撞距離的思想，發(fā)展了一種自適應(yīng)碰撞距離的分子碰撞對(duì)選取方案，能夠在滿足計(jì)算精度的情況下放寬對(duì)DSMC方法對(duì)網(wǎng)格尺