火星进入舱气动热的数值模拟

摘要

自20世纪60年代，人类就开始了对火星的探索，21世纪，登陆火星会成为深空探测最重要的目标之一。火星探测器进入火星大气层的过程与地球再入有一定相似之处，然而由于火星大气成分与地球大气成分存在差异，探测器周围发生的物理化学变化也会随之不同。地面模拟火星大气进入过程困难重重，制约了探测器气动布局和热防护系统的发展。为了获得火星进入舱在进入火星大气层过程中的气动特性，本文主要取火星探路者号探测器(MPF)的外形为研究对象，利用CFD-FASTRAN软件对其进行气动热数值模拟。
　　本文首先建立带有化学反应源项的高超声速流轴对称数学模型，以Lobb球头柱为例，利用CFD-FASTRAN软件对其进行地球大气的气动热数值模拟，模拟结果与文献吻合良好。接着，对MPF进入火星大气时四个时间点下的二维气动热环境进行数值模拟。通量差分采用一阶Roe的FDS格式，时间离散采用后退欧拉格式。结果表明，探测器进入火星大气层71s后，马赫数不断降低，化学反应的剧烈程度减弱，激波脱体距离显著变大;驻点热流值逐渐降低;肩部以后，流场的加速减压趋势明显;尾部存在亚声速回流，温度略高于肩部以后其他区域;高马赫数下，化学非平衡效应更明显，气体组分变化更剧烈最后，建立带有化学反应源项的高超声速流三维数学模型，以MPF的外形为研究对象，对其在有攻角(5°，10°，15°，20°)状态下大底处的三维气动热环境进行数值模拟。结果表明，攻角对温度、压强和热流的峰值影响不大，它主要影响驻点的位置，攻角越大，驻点越靠近迎风面的肩部。迎风面会出现两个高热流区，分别在靠近头部和靠近肩部的区域，非迎风面热流明显降低。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地球大气的气动热数值模拟

1．2．2 火星大气的气动热数值模拟

1．3 本文的主要研究工作

2 高超声速流的轴对称模型及验证

2．1 高超声速流的热化学平衡与非平衡

2．1．1 高超声速流的高温真实气体效应

2．1．2 热力学平衡与非平衡

2．1．3 化学平衡与非平衡

2．2 高超声速流的轴对称数学模型

2．3 CFD-FASTRAN软件介绍

2．3．1 网格类型

2．3．2 Overset／Chimera算法

2．3．3 流动问题

2．4 方法验证

2．4．1 化学动力模型

2．4．2 计算工况

2．4．3 结果与验证

2．5 小结

3 火星进入舱气动热的轴对称数值模拟

3．1 计算工况

3．2 计算结果与分析

3．3 小结

4 火星进入舱气动热的三维数值模拟

4．1 数学模型

4．2 计算工况

4．3 计算结果与分析

4．4 小结

5 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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