高超声速热化学非平衡流的仿真模拟

摘要

临近空间高超声速飞行器在未来国家安全发展中起着重要作用，是各国竞相发展的一项顶尖技术，近几年发展十分迅速。然而，当飞行器飞行速度达到一定临界值时，飞行器的动能会转换成周围空气的内能，从而产生高温效应，导致飞行器周围的空气发生离解、电离以及原子复合等一系列复杂的化学反应和物理效应，在飞行器周围生成“等离子体鞘套”。“鞘套”的存在会产生一系列严重的问题，比如影响雷达探测、飞行器与地面的通讯等。 本文在国内外研究基础上，以CFD-Fastran软件为平台，对典型目标高超声速飞行器热化学非平衡气体绕流流场进行仿真模拟，获得绕流流场等离子体温度、压强以及化学反应各组分分布情况，分析不同因素对仿真结果的影响。此外，针对激波管问题进行仿真研究，是本文主要创新点，介绍理想状态下激波管内流场的变化情况，分析不同截面形状对激波管内流场分布的影响，探讨激波管内斜激波形成机理，并以相关实验模型为基础建模并仿真。为后续等离子体计算提供了大量数据。本文主要工作如下： 1、对高超声速热化学非平衡仿真模拟相关的理论知识进行介绍，如热力学平衡与非平衡模型，化学平衡与非平衡等模型；对涉及的CFD-Fastran软件功能做以说明，包括控制方程的数值解法、温度模型、化学反应模型、初始条件以及边界条件的设定等； 2、以CFD-Fastran软件为平台，对RAMC-II飞行实验进行了仿真研究，分析不同化学反应模型对仿真结果的影响，并与参考文献进行比对；对三维钝锥模型进行流场仿真，分析温度模型、高度、马赫数、攻角等参数对绕流流场仿真结果的影响，尤其是攻角对仿真结果的影响是本文的创新点之一； 3、针对激波管问题进行研究。首先给出了理想情况下激波管内流场参数变化的定性描述，推导正激波方程；其次通过对不同截面激波管的建模、网格划分和流场仿真分析截面形状对激波管内气体运动的影响；最后对Ф800mm激波管进行仿真，探讨激波与截取试验段作用后的运动情况。

目录

第一个书签之前