高超声速气流中尖头体驻点热流演变规律及桥函数研究

摘要

近年来航空航天领域备受关注的新型近空间高超声速巡航飞行器采用尖头薄翼的尖前缘外形,要求对驻点热流有比较准确并且相对简单的预测方法。随着前缘曲率半径不断减小,流动逐渐变得稀薄,驻点局部区域粘性干扰效应和稀薄气体效应依次出现,在连续介质假设下预测驻点热流的经典理论Fay-Riddell公式将会失效,驻点热流呈现新的演变规律。本文采用理论分析加数值验证的办法研究了高超声速尖头体驻点热流从连续态过渡到稀薄态的变化特征。首先基于对流动和传热物理本质的认识,把连续流动和稀薄流动的分析统一起来,把稀薄情况下因分子碰撞不充分导致的稀薄气体效应与Fourier传热定律失效以及热传导的非线性因素影响增强联系起来。我们在高超声速前缘驻点区域构造了包含非线性项的热流具体表达式,结合流场图像,通过理论分析得到了表征非线性因素影响大小的特征参数Wr,也即划分稀薄流动的判据。最后,基于特征参数Wr构建了具有物理意义的驻点热流预测桥函数,在整个流动区域都能得到与DSMC计算值和实验数据符合较好的结果。