飞行器沿弹道气动烧蚀过程数值模拟研究

摘要

当飞行器以高超声速、大攻角在大气层内长时间飞行时，飞行器表面所承受的热环境非常恶劣，会出现明显的烧蚀现象。高超声速飞行器沿弹道飞行时结构气动烧蚀性能分析与评估是热防护设计的关键点和难点。而解决此难点的一个重要前提是准确预测飞行器热环境和烧蚀表面后退问题。飞行器结构表面温度分布及烧蚀量的准确预测，能为精确设计热结构并合理评价热防护结构设计的合理性和可靠性提供依据。然而，材料的烧蚀过程极其复杂，在烧蚀计算中气动热分析的结果作为温度场求解及烧蚀分析的输入条件；烧蚀分析结果如烧蚀型面、结构表面温度作为气动热分析的输入条件，二者耦合嵌套，相互影响，是一个复杂的多场耦合过程。飞行器结构的三维烧蚀，需对气动加热、结构导热和烧蚀进行耦合计算。目前还没有商用软件可以很好地处理此类耦合问题，需单独编制程序来实现一体化的数值模拟。
　　首先，本文提出了预测高超声速飞行器表面气动热环境的工程计算方法。采用工程计算软件对高超声速飞行器表面关键部位气动热进行计算，获得飞行器沿弹道飞行时表面的三维热环境分布。提出气动加热热流的插值方法，并结合热传导分析的基本方程和边界条件,开发了施加非均布热流载荷的DFLUX用户子程序，实现气动热计算与结构热传导分析自动化计算。算例表明本文所述方法具有较高的计算效率和精度。
　　其次，本文发展了高超声速飞行器气动烧蚀三维数值模拟方法。提出因烧蚀造成的移动表面单元重构技术，实现了烧蚀移动边界的平滑后退，且只对烧蚀区域的单元进行重构，网格生成效率高。并采用优化方法对重构后的网格质量进行优化，提高了重构新单元质量。基于新型网格后退方法，将所发展的气动热工程方法与烧蚀模型计算耦合，实现对飞行器沿弹道气动热环境-固体导热-烧蚀全过程的一体化耦合计算。采用所编程序对飞行器沿弹道气动烧蚀过程进行了模拟，给出了飞行器表面烧蚀量和三维温度场分布，实现了三维气动热-导热-烧蚀耦合分析。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容及章节安排

2 高超声速飞行器表面气动热环境预测

2.1 气动热计算方法

2.2 EHEAT气动热预测方法

2.3 气动热环境计算验证算例

2.4 气动加热热流插值计算

2.5 本章小结

3 气动加热与结构温度场耦合计算方法

3.1 高超声速飞行器结构热传导控制方程

3.2 结构传热计算表面非均布热流载荷定义

3.3 耦合计算子程序实现

3.4 气动加热与温度场耦合求解算例

3.5 本章小结

4 网格烧蚀后退自适应算法

4.1 表面烧蚀计算模型

4.2 烧蚀后退准则

4.3 烧蚀边界移动程序实现

4.4 烧蚀网格重构过程

4.5 烧蚀重构网格优化

4.6 烧蚀模型网格信息转换

4.7 烧蚀验证实例

4.8 本章小结

5 气动热-导热-烧蚀耦合一体化计算

5.1 一体化数值模拟简介

5.2 耦合一体化计算步骤

5.3 耦合一体化计算算例

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢