高超声速再入体气动热数值模拟研究

摘要

高超声速飞行器飞行速度高、射程远，具有潜在的巨大的军事和经济价值，是未来航空航天领域的的主要研究发展方向之一。气动加热问题是高超声速飞行器TPS（ThermalProtectionSystem，热防护系统）设计的关键，数值模拟是研究气动加热问题的重要手段，对气动热数值模拟进行研究具有重要的意义。目前气动热数值模拟已有许多研究成果，但在网格构造方式及底层网格法向尺度及其均匀度方面研究较少，另一方面，研究的对象外形较为单一，简单模型的方法在推广到复杂模型时容易遇到问题，部分研究缺乏地面试验的验证。综合以上问题，本文以多种再入体为模型，运用经地面试验结果验证过的数值模拟方法再现绕再入体高超声速复杂流场，分析不同因素对气动热数值模拟的影响，为实现气动热的准确模拟提供参考。本文主要的工作:
　　 (1)通过对国内外气动加热问题的数值模拟研究方法进行对比分析，确定了针对高超声速再入体气动热的数值模拟方法。针对三维可压缩Navier-Stokes方程，时间离散采用LU-SGS(LowerUpperSymmetricGauss-Seidel)隐式时间推进方法，空间离散采用有限体积法，无粘对流通量选用Roe通量差分裂格式进行离散，粘性通量采用二阶中心差分格式进行离散。通过对某一具有详细实验数据的典型再入体外形的气动热数值模拟验证了所选用的数值模拟方法。
　　 (2)确定定解条件，研究网格因素对气动热数值模拟的影响。其中包括网格构造方式、网格流向及周向分布、网格法向分布、网格底层尺度、网格底层尺度分布、网格正交性等。
　　 (3)通过对钝锥进行数值模拟，得到其在不同攻角时表面热流分布，对比了球头部位的网格构造方式对气动热数值模拟的影响，验证了方型网格的优越性，同时发现重点区域温度场存在散乱问题，经过对该问题进行分析，从网格入口提出了解决方法;然后对计算网格进行优化，结果表明物面网格法向尺度对热流数值模拟有很大影响，法向第一层网格尺度必须小到一定程度才能保证足够的热流数值精度。
　　 (4)对空天飞机模型进行数值模拟，提供了空天飞机气动力/热结果，分析了空天飞机气动力/热特性，针对气动热计算结果与实验结果偏离大的区域进行了网格优化，结果表明网格正交性对气动热的数值模拟有重要影响。
　　 (5)空天飞机机翼后部数值模拟结果与实验值有较大偏差，分析可能由于机翼后部存在分离流。本文特选用有实验数据的分离流动的钝舵平板模型进行数值模拟，结果显示熵修对分离区内的气动热数值模拟结果有重要影响。