高超声速飞行器气动加热及热响应分析

摘要

气动加热是飞行器再入大气层时必然发生的现象，为了给再入技术提供必要的基础理论和数据，研究气动加热是至关重要的。 首先，本文对国内外发展的各种高超声速气动热计算方法进行了系统的分析、归类和比较，综合了各种经典的热流预测方法。在此基础上，引入工程上计算气动热的估算方法及热流密度计算的简化公式，在不考虑烧蚀以及质量引射等影响下，采用此方法对二维平板及简单三维半球外形进行了气动热计算。并用MATLAB绘出平板及半球表面的温度分布曲线，作为本文算例的气动加热环境。 然后，本文介绍了温度场和热应力场的有限元方法，建立了三维热传导力学模型，计算了由气动加热引起的温度场。考虑到弹头的轴对称外形，计算简化为二维运算。并且在整个运算过程中，严格遵循能量守恒原理。 最后，计算碳基复合材料弹头热应力场。将壁温T<,w>作为边界条件，运用ANSYS中的耦合场分析模块中的序贯耦合解法计算了弹头热应力场。分析过程中将温度处理为“温度载荷”，这样就能用弹性力学问题的处理方法来求解热应力。计算工具仍然采用有限元法，运算效率相当高。总之，本文成功地完成了气动加热及热响应的一系列计算。由气动加热到温度场、再到热应力的计算量很多，但是本文在严格的理论基础之上设计了准确而实用的计算方法，程序执行较快，计算精度较高，具有一定的工程实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1气动热力学发展史

1.2气动加热的基本概念

1.3研究气动热的重要性

1.4气动加热研究现状

1.5本文的主要工作

第2章再入飞行器的热环境

2.1再入气动加热

2.2再入轨道

2.3气动加热基本参数与热交换模型

2.3.1气动加热基本参数

2.3.2热交换模型

2.4高超声速气动加热分析

2.4.1基本传热形式

2.4.2高超声速钝体传热分析

2.4.3不同流态气动加热分析

2.5边界层传热理论

2.5.1边界层特性

2.5.2平板绕流

2.5.3钝头体绕流

2.6本章小结

第3章气动加热算法研究

3.1简单外形层流气动加热计算

3.2再入弹头热环境计算

3.2.1弹头质心运动方程组

3.2.2弹头表面压力分析

3.2.3零攻角再入弹头气动加热计算

3.2.4有攻角再入弹头气动加热计算

3.3本章小结

第4章温度场和热应力计算方法及算例

4.1温度场分析有限元法

4.1.1初始条件和边界条件

4.1.2二维八节点四边形等参元简介

4.1.3温度场有限元平衡方程

4.2热应力场分析有限元法及步骤

4.3算例分析

4.3.1二维平板气动加热分析

4.3.2弹头气动加热分析

4.3.3气动热作用下温度场及热应力分析

4.4本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢