喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

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1、2016年6月第42卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2016V01．42No．6http：ffbhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0379喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素林博希，阎超4，李亚超(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083)摘要：工程上对喷流气动热进行近似计算时，常常对真实的全化学反应流近似处理，这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法

2、对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法，探讨了近似计算的2个影响因素：其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时，喷管几何形状对热流分布的影响；其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法，分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算，揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律，可以用于指导工程分析。关键词：计算流体力学(CFD)；喷流；相似准则；数值模拟；气动热中图分类号：V221．3文献标识码：A文章编号：1001—5965(2016)06．1210．09许多新型的超声速和高超声速飞行器普遍采用

3、气动操纵面与反作用控制系统(ReactionCon—trolSystem，RCS)相结合的组合控制技术，如日本的HOPE计划⋯。RCS推进器工作时产生的热喷流气体与周围气流发生相互作用或者是与飞行器表面相互干扰，不仅对飞行器力、力矩特性附加影响，同时对飞行器表面的热环境有较大影响。因此基于喷流干扰效应，可进行减阻防热设计嵋。。RCS喷流与飞行器表面发生干扰的情况，将使飞行器结构的热载荷发生极大的改变，引起了设计部门的关注，需对超声速喷流干扰气动热进行估算。针对超声速横向喷流干扰问题，国内外开展了大量的数值计算研究∞1J。这些计算中，试图在不考虑热喷喷流中的组分扩散效应

4、、化学反应效应以及多相流效应的情况下，用空气近似喷流以更快更好地处理工程复杂喷流问题。随后热喷情况下的横向喷流数值模拟技术逐渐发展起来，主要是探讨热喷时的组分扩散效应和化学反应效应对干扰流场结构和飞行器气动特性的影响；随着吸气式高超飞行器的发展以及内外流一体化概念的提出，对喷管内流及发动机化学反应的模拟方法相继提出。如杨彦广等旧1考虑了喷流干扰问题中的两相流、组分扩散和化学反应等因素，并将气动特性的数值模拟计算结果与空气冷喷流的计算结果进行对比和分析。李海燕等∽1通过数值方法模拟了三维高超声速喷管的热化学非平衡流，获得了典型喷管内流的三维流场。贺旭照等¨叫提出了加热A

5、ir+CF。的喷管内外流试验模拟方案，并用数值方法验证。实际上，如果考虑热喷模拟的所有影响因素，处理将十分复杂，因此对热喷流的模拟均进行了一定程度的简化，因此引入了相似准则选取及转换的问题。试验模拟上，Pindzola¨¨根据对喷流结构及其特征的理论分析和试验研究给出了实现地面模拟与飞行器天上状态完全相似的模拟准则。李素循¨引曾分析基本流场特性及相似参数，给出了动力模拟的基本参数。数值计算上，收稿日期：2015-06-09；录用日期：2015-08-06；网络出版时间：2016-01-2009：46网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．

6、2625．V．20160120．0946．001．html}通讯作者：Tel．：01042317019E-mail：yanchao@buaa．edu．cn引用格式：林博希，阎超，李亚超．喷流干扰气动热数值模拟的若干影响团素ⅣJ．北京航空航天大学学报，2016，42∞)：1210·1218．LINBX，YANC，LIYC．Someinfluencefactorsinaer06，namicheattransfernumericalsimulationofjet-interactionflow【

7、1．JournalofBeijingUniversityofAeronauti

8、csandAstronautics，2016，42(6)：1210—1218(inChinese)．第6期林博希，等：喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素1211Chamberlain等Ⅲ1提出了天地转换的相似准则，对比分析了完全的化学反应、单一量热气体近似、冻结燃气流和热空气4种计算模型的计算结果差异。Pao等¨叫提出了一种量热完全空气代替真实燃气的模拟方法。孙得川I等¨纠给出了一种采用空气模拟燃气喷流时边界条件的设置方法。以上方法主要是保证喷流的动力相似，研究喷流对气动力的干扰特性，对传热等因素并不在其考虑范围内。由于工程应用的需要，本文主要研究