高超声速飞行器层板式小尺度侧喷结构分析与流动机理研究

摘要

随着科技的快速发展，传统的舵面飞行器控制系统已经无法实现高机动高效率的变轨需求。尤其在军事领域，高速、大机动能力的巡航导弹对防空导弹提出了更高的要求。侧向喷流控制属于喷流反作用控制系统，是精确打击和姿态调整的关键技术，其适用于全速域和全空域，具有响应快、效率高等特点，是飞行器在中高空进行姿态控制的重要手段。本文主要研究超声速来流条件下层板式小尺度鼻锥侧向喷流干扰流场，并对不同参数条件下干扰流场的变化进行数值分析。
　　本文首先对层板式小尺度条件下镶嵌式喷管内流动进行了设计和仿真，通过求解变截面基本方程和等熵关系式确定了喷管的设计原则；并证实了其在小尺度条件下产生超声速流的可能性；同时分析了喷管厚度及来流总压两个参数对出口流速的影响，发现了其影响喷管流动的一般规律。
　　针对侧向喷流的实际情况，在合理假设下建立侧向喷流干扰流场的数学模型；采用k-ε湍流模型求解三维N-S方程为基本控制方程组，并用AUSM-DV型MUSCL差分格式处理对流通量项，用LU-SSOR隐式格式对时间项进行离散。
　　首先在对不同出射角?条件下的干扰流场进行数值仿真后发现：负出射角条件下，分离激波将向上游移动，极大的提高喷流前高压区的面积及压力值，并产生马赫盘，增大了喷流的正增益效果；但产生的再附压缩波及弓形激波的强度也更强，使模型喷口附近的温度场恶化。随?角由负向正变化，放大因子逐渐减小，并最终转向负增益效果，下游热环境会有所改善。
　　其次通过改变喷流马赫数及压力比来研究喷流与球头激波作用强度对干扰流场的影响，研究表明：喷流与球头脱体激波相互作用后，喷流自身的流动受到很大的压制；而较好的热防护喷流强度是在喷流突破边界层作用但不与球头脱体激波相互作用时，此时的侧喷工质能够对下游模型壁面起到降温防热的效果。通过调整喷口的位置来调整喷流与脱体激波及自由来流之间相互作用强度，再次验证了将喷口设置在尾部，可以有效避免下游低压区的负增益效果。
　　最后还对多喷流串并联结构进行了对比研究，发现相同静推力条件下并联组合方式具有更好的负增益控制能力。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 层板应用的背景及意义

1.3国内外研究进展

1.4本文工作内容介绍

第二章 层板镶嵌式喷管设计与计算分析

2.1 层板镶嵌式喷管的物理模型

2.2 数值解法的简介

2.3 数值计算结果及分析

2.4 小结

第三章 层板式鼻锥侧喷流场的理论计算

3.1 基本控制方程组

3.2关于相似准则

3.3 湍流模型介绍

3.4 计算方法

3.5 本章小结

第四章 侧向喷流的外流场特性分析

4.1 物理模型与网格划分

4.2 放大因子

4.3 仿真结果与分析

4.4 本章小结

第五章 多喷口条件下侧向喷流对外流场影响的特性分析

5.1 串联结构下多喷管侧向喷流特性分析

5.2 并联结构下多喷管侧向喷流特性分析

5.3 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 文本工作总结

6.2 下一步工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果