减阻杆组合体减阻防热耦合机理研究

作     者：孟玉珊 

作者单位：国防科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：颜力;黄伟

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：高超声速飞行器 减阻杆组合体 耦合分析 减阻防热 流-热相互作用 

摘      要：在超/高超声速状态下飞行的飞行器所经历的气动力和气动热环境非常复杂,其前缘会受到强烈的驻点压力和温升速率,这引起了世界航天大国的广泛关注。高阻力和严重的气动加热对高超声速飞行器的整体性能有很大影响,因此减小高超声速飞行器的飞行阻力和气动热是一个至关重要的设计需求。本文采用流-热耦合分析方法研究了外部流场与内部结构之间的相互作用机理,文章的结构简述如下:首先,较为全面地介绍了减阻杆及其组合体、逆向射流以及超/高超声速流-热耦合分析的研究现状,并概述了每种装置的基本物理原理,对减阻防热相关领域的研究有了更深入的认识。其次,基于两个公开文献中的实验开展了数值方法验证和网格独立性验证。数值模拟结果表明流-热耦合分析能更加准确地预测高超声速流场及其参数,并且在进行瞬态分析时迭代次数对壁面斯坦顿数的计算有很大影响。然后,在瞬态条件下研究了四种不同装置对减阻特性和热防护效果的影响,结果表明在减阻杆装置中引入混合射流对减小阻力和热流有非常可观的效果。此外,在耦合过程中,钝体上的初始热流下降,壁温升高,外部流动结构受温度分布变化的影响。当空气加热时间足够长时,温度保持在较高水平并趋于平衡状态。此外,壁面温度的升高导致回流区的膨胀,在耦合过程中可以观察到不同程度的阻力系数下降。随后,将钝头体的耦合机理研究拓展到双锥导弹外形的研究中,研究了射流压力比和减阻杆长度对流场结构的影响。结果表明提高射流压比能使壁面热流和压力显著降低。此外,减阻杆长径比L/D对流动结构有很大影响,随着长径比L/D的增加,钝头体的阻力系数不是单调减小的,气动加热水平和阻力值与再附激波的再附角有关。最后,将减阻杆及其与逆向射流组合体装置应用到宽速域乘波飞行器上,研究了逆向射流压比和飞行攻角对乘波飞行器流场结构和气动特性的影响,并探索了外部三维流场与内部结构的热相互作用。结果显示,攻角对升阻力系数有显著影响,增大攻角可以进一步提高升力系数和阻力系数,但会导致升阻比减小,并且在耦合过程中流场结构发生显著变化。