稀薄流氣動熱與結構傳熱數(shù)值模擬研究.pdf

1、長期以來，氣動熱問題一直受到設計人員的極大關注，高超聲速飛行器在飛行過程中會對前方空氣強烈壓縮，這會導致空氣溫度急劇升高，與飛行器物面形成巨大溫差，空氣中的熱能以對流和激波輻射的方式傳遞給飛行器表面就形成了氣動加熱。氣動加熱對飛行器的結構強度及剛度等產(chǎn)生較大影響，必須準確預測飛行器的氣動熱環(huán)境以及結構在氣動加熱作用下的溫度變化特性，為飛行器的氣動熱分析及熱防護設計提供指導和參考。
　　本文對稀薄流域高超聲速飛行器的氣動熱與結構傳熱

2、問題開展了數(shù)值模擬研究。基于稀薄流DSMC氣動熱數(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反應對氣動熱的影響，發(fā)展了DSMC方法中的高效處理技術，將DSMC數(shù)值模擬方法與結構傳熱計算方法相結合，設計了一種可適用于全機外形復雜流場的高超聲速稀薄流氣動加熱耦合計算方法。
　　首先，對分子氣體動力學的基本理論以及非結構網(wǎng)格DSMC方法的實現(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機理等方面闡述了稀薄

3、氣體動力學理論，細致討論了非結構網(wǎng)格DSMC方法的基本原理以及實現(xiàn)中的關鍵技術及計算流程。編寫了相應的數(shù)值求解程序并通過數(shù)值算例對程序進行了驗證。
　　其次，研究了不同氣體物面作用模型對稀薄流飛行器氣動熱特性的影響。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模擬中適時給出更貼近真實情況的物面溫度。細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方法中實現(xiàn)的關鍵技術。最后通過數(shù)值算例對比并分析了不同溫度邊界條件以及氣體物面反射模型對氣動熱特性的影響。
　　然后，研究了化學反應對稀薄流飛行器氣動熱特性的影響。論述了化學反應速率常數(shù)以及Bird的唯象化學反應模型，并推導了不同分子碰撞模型下的反應概率表達式。給出了高溫空氣中的5組元離解、復合及置換反應機理及其在DSMC方法中的實現(xiàn)。在5組元混合氣體模型DSMC方法的基礎上，

5、進一步發(fā)展了11組元混合氣體模型DSMC方法，針對稀薄流場中電子出現(xiàn)帶來的實際困難，引入“捆綁法”思想處理電子在流場中的運動，并詳細討論了不同類型電離反應發(fā)生的機理。編寫了考慮5組元和11組元混合氣體模型的DSMC計算程序并采用數(shù)值算例對程序進行了驗證，在此基礎上通過采用不同組元混合氣體模型研究了化學反應對稀薄流飛行器氣動熱特性的影響。
　　接著，針對稀薄流域高超聲速飛行器的氣動熱與結構傳熱問題，通過引入牛頓冷卻定律，將DSMC數(shù)

6、值模擬方法與結構傳熱計算方法相結合，設計了一種可對全機外形進行氣動熱和結構傳熱計算的高效松耦合方法，實現(xiàn)了防熱層結構材料溫度分布特性的數(shù)值模擬。最后對發(fā)展的稀薄流氣動加熱耦合計算方法進行了數(shù)值模擬，并在此基礎上通過數(shù)值算例分析討論了化學反應對受熱計算的影響。
　　最后，研究了非結構網(wǎng)格DSMC方法中的高效處理方法。引入碰撞距離的思想，發(fā)展了一種自適應碰撞距離的分子碰撞對選取方案，能夠在滿足計算精度的情況下放寬對DSMC方法對網(wǎng)格尺