高超声速气动力/热/结构多场耦合问题数值模拟技术研究

摘要

进入二十一世纪以来，随着飞行器技术的迅猛发展，高超声速飞行器受到世界各国的高度重视。高超声速流动问题中的关键问题之一是气动加热问题，会造成飞行器结构温度升高，改变结构内温度场分布，从而改变结构材料的物理属性。其中非均匀的温度场会引起不可忽视的结构热应力现象。结构材料特性的改变会引起结构刚度和结构模态的变化，对结构的静/动热气动弹性性质造成极大的影响。美国在可重复使用高超巡航/入轨飞行器的研究方面一直走在世界的前面，先后提出了Falcon、HyTech、Hyper-X等计划，并指出了极端环境下的结构响应的预测的诸多显著的技术难点，如流体、热和结构响应的耦合、大而复杂的耦合模型及计算成本等。
　　本文针对高超声速飞行器气动力/热/结构耦合问题数值模拟技术中的相关关键计算技术开展了研究，包含气动力/热计算中的时空离散方法、动网格等，气动加热/结构传热计算技术中的计算模型、界面插值方法等，静热气动弹性计算技术中的计算流程、网格处理流程等，以及弹道状态下热气动弹性分析流程、非定常气动加热计算、模态坐标下动力学分析等方面。主要研究内容如下：
　　首先，发展了力/热/结构多场耦合计算中的流场、结构温度场及结构应力场的数值模拟方法和程序。流场数值模拟程序适用于高速可压缩流动的定常/非定常无粘/粘性流场的气动力/热的数值模拟。以混合网格为基础，对流通量格式包含JST、AUSM格式，湍流模型为S-A模型，时间离散采用多步Runge-Kutta迭代和双时间步长方法，并引入了动网格技术。结构温度场数值模拟方法以有限体积法为基础，包含了最小二乘法和高斯格林法两种温度梯度计算方法，时间迭代方法与流场数值模拟方法中的相同。结构数值模拟中单元采用等参单元，线性方程组的求解方法包含SOR，GMRES_m和CG等方法。通过若干算例对三个计算程序的计算模型、数值格式、计算精度等进行了验证，对比了不同方法求解线性方程组时的收敛效率。
　　其次，发展了一种能用于二维/三维、定常/非定常、气动加热/结构传热分析的一体化数值计算方法。采用统一的积分方程组作为气动加热和结构传热物理过程的控制方程，对整个物理场进行统一的有限体积方法离散，给出了流场与结构交界面上温度、温度梯度及热传导系数等参数的计算方法。针对流场与结构交界面的网格尺度对计算结果的影响开展了研究，结果表明过大的网格尺度会引起计算的不准确，而过小的网格尺度会使得计算量大大增加。通过耦合算法与一体化算法的对比发现，一体化算法对于网格的敏感性小于耦合算法。
　　然后，以本文发展的气动加热/结构传热一体化求解方法为基础，结合结构静力学有限元方法，提出了一种新的静热气动弹性计算技术。开展了二元机翼的静热气动弹性计算，考察了温升、攻角对静热气动弹性的影响，对比了均匀温升和非均匀温升的结构应力/应变分布情况。结果表明：当温升达到102量级时，对升阻力系数会有较大影响。在高超声速飞行器设计中，温度场的准确计算对结构设计非常重要，非均匀温升带来的热应力的影响必须要加以考虑。
　　再次，发展了力/热/结构多场耦合计算中的弹道状态气动加热及气动弹性计算方法。采用Euler解与工程估算相结合的方法，同时耦合一维热传导方程，形成了一种弹道状态长时气动加热快速计算方法。在气动加热计算的基础上，进行热结构的模态分析，然后开展热气动弹性计算。类X-37B飞行器弹道状态的气动加热计算结果表明高超声速飞行器在弹道飞行时，外壁面的温度会随时间剧烈变化，而内壁面温度随时间变化较为缓和，同时化学反应效应对气动加热有影响，能一定程度的降低结构的最高温度。弹道上的某一状态的热气动弹性计算研究表明气动加热造成的结构温升使得结构固有频率降低，而对结构模态振型的影响不大。
　　最后，对全文的研究工作进行了总结，并探讨了今后气动力/热/结构多场耦合问题数值模拟技术进一步发展的方向。

目录

声明

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1气动力/热/结构耦合多场耦合问题的研究背景与意义

1.2气动力/热/结构多场耦合问题研究进展

1.3本文研究内容及章节安排

1.4本文研究特色与创新点

第二章 多场耦合各物理场计算技术

2.1引言

2.2流场计算方法

2.3结构传热计算方法

2.4结构响应计算方法

2.5本章小结

第三章 多场耦合中的气动加热/结构传热数值模拟技术

3.1引言

3.2耦合求解方法

3.3一体化求解方法

3.4耦合求解与一体化求解的相互比较

3.5简化飞机头部-钝头体

3.6典型三维机翼

3.7非定常俯仰振荡的二维翼型

3.8本章小结

第四章 多场耦合的静热气动弹性数值模拟技术

4.1引言

4.2数值模拟技术

4.3给定温度分布下的静热气动弹性计算与分析

4.4温度场实时迭代的静热气动弹性

4.5本章小结

第五章 弹道状态多场耦合的热气动弹性计算技术

5.1引言

5.2热气动弹性数值模拟技术

5.3弹道状态长时加热计算与分析

5.4热气动弹性计算与分析

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2本文研究特色与创新点

6.3研究工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文