高超声速能量沉积减阻与气动热数值模拟研究

摘要

能量沉积减阻方法是在飞行器上游流场中添加能量，使来流在飞行器前方提前分流，形成低压区域，进而改变流场结构，实现减阻的目的。能量沉积减阻技术具有可控、稳定、不改变飞行器气动外形及减阻效果好等优点，被认为是一种非常有前景的减阻方式，受到越来越多的关注。热源强度、位置以及飞行攻角是影响能量沉积减阻效果的重要因素，研究这些因素对于获得较高的减阻率、能源效率以及飞行器热防护具有重要意义。
　　本文采用标准 k-ε湍流模型，通过求解 Navier-Stokes方程对高超声速飞行器绕流流场进行了数值模。通过在飞行器模型前方模拟高温热源形成加热区域，实现能量注入，在此基础上对在6.5马赫来流下的半球体模型和升力体模型的飞行过程进行了数值模拟，分析了能量沉积减阻的原理，考察了热源强度、热源位置以及飞行攻角等因素对升力飞行器气动阻力的影响。
　　研究表明：能量沉积方法通过破坏弓形激波结构能够显著减小激波阻力，但是对于迎风面过大造成头部激波阻力占比过小的情况，该方法的减阻效果并不理想；随着热源强度增大，热源激波与飞行器初始激波的耦合增强，减阻率增大但增幅减小，当热源强度增大到一定值后，减阻率基本不再增加；热源注入流场的能量被飞行器附近流场吸收，提高了飞行器近壁温度；热源距飞行器前端驻点的距离对减阻有显著影响，存在最优距离；飞行攻角变化时会改变迎风面积以及弓形激波流场与加热区域流场相互作用的位置，从而影响减阻效果，减阻率随着飞行攻角增大而减小，当攻角增大到一定值时，能量沉积方法会失去减阻作用。
　　本文研究成果为能量沉积方法在高超声速飞行器减阻及降热研究提供重要的理论依据及借鉴，具有一定的理论意义和工程应用价值。

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2国内外的研究现状

1.3主要研究内容

第2章 高超声速绕流的数值模拟理论基础与数值方法验证

2.1引言

2.2控制方程

2.3湍流模型

2.4空间离散

2.5时间离散

2.6数值方法验证

2.7本章小结

第3章 钝头体能量沉积减阻的数值模拟研究

3.1引言

3.2钝头体绕流流场数值模拟

3.3本章小结

第4章 升力体能量沉积减阻的数值模拟研究

4.1引言

4.2升力体模型简介

4.3热源强度的影响

4.4热源位置的影响

4.5飞行攻角的影响

4.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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