高超声速飞行器环形喷流减阻降热数值模拟研究

作     者：张道毅 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周超英

授予年度：2022年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：高超声速流 长短穿透模态转换 流场稳定性 环形喷流 组合喷流 

摘      要：高超声速飞行器因其超快的飞行速度和优秀的突防能力等因素被各国所重视,逐渐应用于军用和民用的领域,然而高超声速飞行器在运作期间其机体前端会产生类似弓形的激波层,这大大增加了飞行器的飞行阻力和气动热,因此高超声速的减阻降热是高超声速飞行器总体设计中要考虑的重要内容,同时环形喷流、中心喷流和脉动喷流等概念的引入推动了对逆向喷流不稳定的长穿透喷流模式的研究,本文在控制喷流质量不变的基础上,通过改变喷口尺寸来研究了环形及组合喷流对高超声速飞行器减阻降热等方面的影响。介绍了Navier-Stokes控制方程、和SST湍流模型并对高超声速半球头体二维喷流模型进行了数值模拟仿真,之后将有关文献中的试验结果数据与模拟结果进行了比对,从而验证了计算方法的可靠性。在5.8马赫下,控制喷流质量不变,对不同喷口尺寸的环形以及组合喷流模型进行了数值模拟仿真,分析其阻力系数随喷压比的变化以及其壁面热流和流场结构后发现环形喷流及其组合喷流均会对逆向喷流模态的转换产生影响,组合喷流中,环形喷口尺寸越大,中心喷口尺寸越小,长短穿透模式转换的临界喷压比也就越大;且环形喷流相对中心喷流有更好的降热效果。研究了环形喷流和组合喷流对流场稳定性提升的影响,建立了中心喷流、环形喷流和组合喷流的长模态喷流模型物理模型,并在2.5马赫的边界条件下对其进行了数值模拟仿真,通过分析其阻力系数随时间变化的关系和流场结构变化,研究发现环形喷流和组合喷流均对逆向喷流的长穿透模态喷流流场稳定性有提升作用,环形喷流对流场稳定性的提升主要是通过改变喷流穿透模态而影响的;而组合喷流对流场稳定性的提升则是由于喷流形成的回流区被环形喷口喷出的流体隔离成两部分,从而提高了流场的稳定性,且组合喷流喷口尺寸改变对流场稳定性有影响,存在着最佳喷口尺寸使得流场结构振荡趋近为无。研究了将脉动喷流和组合喷流结合后对流场稳定性提升的影响,通过对不同的脉动喷流压力变化周期和幅度进行数值模拟研究发现,在较高的脉动频率和脉动压力下,脉动喷流和组合喷流组合起来对流场稳定性有进一步的提升作用,但是错误的脉动喷流组合会降低流场的稳定性。