真实气体效应影响下的高超声速气动加热计算方法

摘要

本文对高超声速气动加热受稀薄气体效应和化学非平衡效应的影响特性进行了研究。首先引入克努森数的概念将不同高度下的流动分为自由分子流，过渡区流，滑移流和连续流。
　　对于稀薄区域流动，包括过渡区流和自由分子流，分别研究和验证了一套通过实验数据相关法得到的稀薄流区气动热计算的工程理论。通过流场热流计算与材料传热计算的耦合计算，得到稀薄气体效应下的表面热流密度分布和温度分布，最后与DSMC方法的结果进行了对比。
　　对于连续流动，采用了将边界层外的无粘欧拉解与边界层内粘性区域的工程理论方法相结合的方法进行高超声速飞行器气动加热的计算。该方法不仅计算效率比数值方法要高，而且精度也能达到工程实际中的要求，更对于复杂外形飞行器具有良好的适应性。因此在高超声速飞行器的设计过程中具有巨大的优势。考虑了9组元化学反应模型，采用高超声速化学非平衡传热与材料传热耦合的计算方法。最后给出了化学非平衡效应下的热流密度分布，组元浓度分布和温度分布，并与完全气体情况下的结果进行了对比。
　　对算例结果的验证分析表明，化学非平衡效应对气动加热的影响特性和稀薄流区的工程理论方法所得到的气动加热的结论，与数值方法的结果符合的较好。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1研究的背景及意义

1.2研究历史和现状

1.3高超声速气动加热概述

1.4本文的研究工作

1.5本文的内容安排

第二章 高超声速稀薄流气动热的工程计算方法

2.1引言

2.2自由分子流气动传热计算的工程理论

2.3过渡区流气动传热的工程理论

2.4本章小结

第三章 高超声速化学非平衡传热计算

3.1引言

3.2高温空气的化学热力学特性

3.3本章小结

第四章 高超声速气动加热的耦合计算方法

4.1引言

4.2数值方法与工程理论方法的结合

4.3高超声速气动加热的耦合计算方法

4.4本章小结

第五章 算例验证与结果分析

5.1引言

5.2计算模型

5.3稀薄流气动加热计算

5.4连续流化学非平衡气动加热计算

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1内容总结

6.2研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文