高超声速前台阶绕流的计算分析

摘要

气动力和气动热的精确计算是高超声速流动分析的关键和难点，一直以来没有得到解决。本文选择前台阶绕流这一经典问题，分析来流马赫数为10的氩气流动以及台阶壁面的气动性能。通过求解Navier-Stokes方程和直接Monte-Carlo粒子模拟，得到了高超声速前台阶绕流的精确流动，并详细分析了计算网格对Navier-Stokes方程求解结果的影响，同时解释了高超声速流动中热流和摩阻计算困难的原因。通过壁面边界层的准一维假设，首次提出了壁面热流和剪切力的层流壁面函数。研究发现，壁面函数很好地描述了高超声速层流边界层内的温度分布和速度分布，为高超声速流动的气动力和气动热预估提供了有力的工具。