飞行器热防护系统气动热预测与传热分析

摘要

高速飞行器以超声速或高超声速在空气中飞行，对前方气体剧烈压缩和粘性阻滞，使表面温度急剧升高，并使气体产生离解、电离等反应，带来“热障”和“黑障”等一系列问题。在如此恶劣的环境下，高超声速飞行器急需采取适当的热防护措施，保证舱内结构和设备能正常工作，因此精确预测飞行器的气动热环境及进行热防护系统的传热分析成为高速飞行器设计的重要研究课题。
　　 本文对飞行器热防护系统进行研究，热防护系统首先要精确预测飞行器的气动热环境，然后将其作为外部已知条件对飞行器内部的隔热结构进行传热和热应力分析。论文分两部分:首先对高超声速飞行器气动热环境进行工程算法和CFD算法预测，发展了相应的计算程序;然后对飞行器热防护系统热传导和热应力进行边界元分析。
　　 对高超声速飞行器气动热环境工程算法进行研究。基于Prandtl边界层理论，将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导区域，在理论与经验公式的基础上，利用轴对称比拟法考虑攻角影响，采用局部相似性解及参考焓等方法确定飞行器有攻角再入的表面气动加热，发展了一套高超声速飞行器关键部位气动热的计算方法。以钝锥为算例对计算方法进行了验证，结果证明本文所述方法具有较高的效率及精度。
　　 发展了高温热化学非平衡条件下高超声速气动热数值模拟方法。采用二阶精度迎风格式的N-S方程有限体积法多块结构网格求解器，考虑了空气多组分及有限化学反应的影响，对化学生成源项和振动能源项采用了点隐式处理，发展了带有源项的迎风TVD格式的数值求解方法。对二维和三维算例进行了气动热数值仿真模拟，分析了热化学非平衡条件下，不同非平衡模型及热流构成的影响，计算结果表明建立的数值模拟方法具有较高的精度。
　　 首次提出和发展了基于径向积分法的瞬态热传导边界元分析算法。首先用各向同性材料的基本解来建立以规格化温度表示的积分方程，然后用径向积分法将出现在积分方程中的域积分转换成边界积分，利用中心差分隐格式来解决与时间有关的系数，从而形成不需要内部网格的瞬态边界元分析算法。鉴于径向积分数值算法复杂且耗时的特点，本文进一步推导出了一种新的处理变系数热传导问题的径向积分解析计算方法。基于四阶样条径向基函数，解析地求出了变系数热传导问题的径向积分表达式，使计算效率能够显著地提高。
　　 提出和发展了基于多重介质弹性力学问题的界面积分边界元分析算法。在用规格化位移来表述非均质边界元计算公式的基础上，根据两临界材料剪切模量的不同将域积分退化为界面积分，从而形成适合于求解多重介质弹性力学问题的统一的边界积分方程。推导出的积分方程与传统的多区域边界单元技术相比形式简单，在程序编制、数据输入等方面方便而且高效，数值算例验证了本文所导公式的正确性。
　　 对非均匀介质构成的热防护系统进行了边界元热应力分析。首先采用弹性力学基本解推导了位移和应力边界域积分方程，然后用径向积分法将包含在积分方程中的域积分转换成等效的边界积分，建立了只需边界离散的纯边界元算法。通过对高超声速飞行器热防护系统中常用的典型热结构进行二维和三维数值模拟，验证了所用方法的正确性。

目录

摘要

声明

主要符号表

第一章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 高超声速气动热研究现状

1．2．1 高超声速流动主要特征

1．2．2 高超声速气动热工程算法研究现状

1．2．3 高超声速气动热数值算法研究现状

1．3 飞行器热防护系统研究现状

1．4 热防护系统传热分析现状

1．4．1 国外情况

1．4．2 国内情况

1．5 本文的主要研究内容

第二章 高超声速气动热环境工程算法

2．1 引言

2．2 边界层外无粘流场计算

2．2．1 物面压力的计算

2．2．2 边界层外缘参数计算

2．3 表面热流计算

2．3．1 驻点附近气动热计算

2．3．2 迎风面气动热计算

2．3．3 翼前缘气动热计算

2．3．4 背风面分离区气动热计算

2．3．5 带攻角飞行器气动热计算

2．4 软件简介

2．5 算例分析

2．5．1 钝锥气动热预测

2．5．2 钝双锥气动热预测

2．5．3 Micro-X飞行全过程气动热预测

2．6 本章小结

第三章 高超声速气动热数值(CFD)算法

3．1 气体模型的分类

3．2 高温热化学非平衡模型

3．2．1 高温效应

3．2．2 化学冻结、化学平衡和化学非平衡

3．2．3 热力学平衡和热力学非平衡

3．3 三维可压缩高温热化学非平衡控制方程

3．4 数值求解方法

3．4．1 控制方程数值离散

3．4．2 刚性问题

3．4．3 无粘通量的计算方法

3．4．4 粘性通量的计算方法

3．4．5 源项的计算方法

3．4．6 边界条件

3．5 本章小结

第四章 高超声速气动热环境数值仿真算例

4．1 RAM-CⅡ算例

4．2 钝锥气动热计算

4．3 导弹开槽气动热计算

4．4 DLR-F6气动仿真计算

4．5 本章小结

第五章 飞行器热防护系统瞬态传热边界元分析

5．1 引言

5．2 径向积分法(RIM)介绍

5．3 瞬态热传导问题的边界域积分方程

5．4 域积分到边界积分的转换

5．5 变系数热传导问题的径向积分解析计算公式

5．5．1 变系数热传导问题的边界域积分方程

5．5．2 径向积分解析计算公式

5．6 数值算例

5．6．1 单位面积平板热传导分析

5．6．2 带孔矩形平板热传导分析

5．6．3 矩形平板二维热传导分析

5．6．4 六面体类螺栓结构的三维热传导分析

5．7 本章小结

第六章 非均匀介质热弹性问题无内部网格边界元分析

6．1 引言

6．2 功能梯度材料热应力分析的位移、应力积分方程

6．3 用RIM将域积分转换为边界积分

6．4 多重介质弹性力学问题的界面积分边界元法

6．4．1 单一介质变系数弹性力学问题的边界域积分方程

6．4．2 多重介质外边界的边界域积分方程

6．4．3 多重介质界面点的边界域积分方程

6．4．4 分段均质问题的边界-界面积分方程

6．4．5 用刚体位移技术处理强奇异积分

6．5 数值算例

6．5．1 先进柔性可重复使用隔热毯热防护系统热应力分析

6．5．2 功能梯度材料夹层结构热应力分析

6．5．3 两种材料组成的刚体冲床在平面应变下冲压分析

6．5．4 三种材料组成的后壁圆筒受内压应力分析

6．5．5 六面体类螺栓结构受均布压力应力分析

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢