一种面向高超声速飞行器的多场耦合技术及其实现

摘要

随着飞行器速度的不断提高，高超声速流动下的热气动弹性问题受到越来越多的关注。与常规的气动弹性问题不同，热气动弹性问题涉及到高温气体效应、边界层效应、结构热传导以及热辐射等研究内容，需要计算流体力学(CFD)、计算结构力学(CSD)、计算热力学(CTD)等多门学科的相互配合才能使问题得以解决。
　　针对上述多学科交叉问题，本文提出了一种双向耦合的多场耦合模型，实现了高超声速化学非平衡气动热与结构烧蚀一体化模拟方法。利用该方法对典型飞行器结构进行了高超声速条件下的数值模拟与分析，验证了一体化模拟方法与计算程序的有效性，表明其可为相关工程提供有力的分析工具。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 热气动弹性力学原理

1．2 高超声速气动热预测研究进展

1．2．1 高超声速气动热预测

1．2．2 多重物理场耦合的研究现状

1．2．3 松耦合方法扩展时的挑战

1．3 本论文的主要工作

2 流-固-热耦合基本原理

2．1 计算流体力学方程求解

2．1．1 流体控制方程

2．1．2 湍流模型

2．2 弹性体结构方程

2．2．1 结构离散化方法

2．2．2 结构动力学方程

2．3 计算网格技术

2．3．1 网格生成技术

2．3．2 变形网格技术

2．4 松耦合方法库——preCICE

2．4．1 应用程序接口

2．4．2 preCICE特点

2．4．3 本文实现的流体和结构分析软件介绍

2．4．4 求解器间并行性：并行耦合方案

2．5 本章小结

3 共轭传热

3．1 传热机制

3．1．1 热传导

3．1．2 热对流

3．2 材料特性和无量纲量

3．3 控制方程和边界条件

3．3．1 固体传热控制方程

3．3．2 流体传热控制方程

3．3．3 边界条件

3．4 耦合方法

3．4．1 耦合边界条件的松耦合方法

3．5 preCICE耦合库概述

3．5．1 方程耦合

3．5．2 数据映射

3．5．3 preCICE应用程序编程接口

3．6 共轭传热算例验证

3．7 本章小结

4 烧蚀耦合计算

4．1 热解理论简介

4．2 数学控制方程

4．3 烧蚀边界条件

4．3．1 底面边界条件

4．3．2 表面边界条件

4．3．3 烧蚀边界条件图解

4．4 电弧烧蚀实验

4．5 本章小结

5 总结与展望

参考文献

作者简历