缝隙结构高超声速气动热特性分析.pdf

《缝隙结构高超声速气动热特性分析.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、结构强度研究2015年第1期缝隙结构高超声速气动热特性分析霍施宇(中航工业飞机强度研究所三十二室，西安)摘要：本文针对缝隙结构建立高超声速流动模型，分析了缝隙内部流动特性和传热机理，重点研究了缝隙内部气动加热问题。结果表明外部流动只会对缝隙上部产生较大影响，缝隙迎风面热流峰值是当地平板热流值的2．5倍。通过分析攻角、马赫数以及缝隙几何等参数对缝隙热流分布的影响规律，发现缝隙宽度是影响缝隙内部热环境的关键因素。关键词：缝隙结构；计算流体力学；高超声速流动；气动热动受来流马赫数Ma，攻角a，缝隙结构H／w等1引言因素影响。

2、在此基础上建立缝隙流动模型，流场尺寸如表1。当高速气流流过缝隙时，在缝隙入口处会发生边界层分离再依附，平流可能提前转捩到湍流，导致局部过热l1]。美国哥伦比亚号航天飞机失事，就是由于高温气流进入副翼裂缝，最终导致灾难的发生[2]。本文首先揭示了缝隙内流动状态和换热机理，定量地分析不同来流条件以及缝隙尺寸对缝隙气动热的影响，得到缝隙内壁热流的分布规图1平板缝隙流动简图律，为有缝高温结构的热分析和设计提供重要参考。表1流场初步设计参数2缝隙气动分析模型研究中以航天飞机大面积热防护区域隔热瓦模拟中取海拔30kin高空下的大气

3、参数作为缝隙为对象，考虑热防护结构缝隙的尺寸与航天来流参数(如表2)，边界条件见表3。飞行器整体尺度相比很小，可以把高速气流流过表230m高空下的大气参数带有缝隙的平板作为对象，研究高超声速飞行器表面缝隙加热问题。2．1缝隙流动模型与边界条件当气流以一定偏转角0流过宽度为w的缝隙，通过等效宽度处理，简化成偏转为零的二维流动。航天飞机第二次飞行的试验结果也证明研究边界条件参数设置缝隙气动加热可以依照二维流动分析口。因此，入口对热防护系统结构缝隙的气动加热研究，可以从出口二维平板缝隙加热人手。如图1，平板缝隙内流壁面收稿日

4、期：2014—10082015年第1期霍施宇：缝隙结构高超声速气动热特性分析2．2SST湍流模型与网格划分过平板热流值，经过缝隙后热流回落。考虑飞行器迎风面在大部分区域处于湍流，在计算时更容易收敛，模拟计算时空气流态选用SST(ShearStressTransport)湍流模型¨4]。划分结构网格2万多个，壁面第一层网格高度为0．05mm，求解后+基本在1以内，计算网格划分如下图2。图4平板壁面热流图5为缝隙内部相对热流分布规律，缝隙几何和热流都经过了归一化处理，即缝隙从背风面上缘到迎风面上缘，总长2H+W，缝隙内的相

5、对长度定义为s／(2H+w)，其中S一0～2H+W；图2CFD计算网格相对热流值q／q，为缝隙壁面热流q与当地平板2．3缝隙流动模型分析热流q比，当地平板热流取缝隙入口处热流。可高速气流流过缝隙会发生分离扰动，向内部以看到缝隙内相对热流呈“u”型分布，在人口处膨胀而受到壁面的作用形成逆向流，又在粘性剪背风面最大相对热流为0．8，然后迅速降低，在缝切的作用下回流，在缝隙入口处就形成了一个强隙底部热流接近0，在迎风壁面热流逐渐升高到大封闭漩涡。当能量传递耗散，再不足以形成漩当地平板热流的2．5倍。涡时，将这个深度定义为临界

6、深度H⋯在漩涡区，高温气体与壁面发生强烈的对流换热，同时还有气体和壁面热传导，将气动热的影响深度定义为H。漩涡以下气体可以看作是静止的，将这部分区域定义为“死水区”，气体与壁面主要是气体热传导，如图3。气流AB．r图5缝隙内相对热流分布《一OH廿HeH1I3缝隙气动模型验证_，_3．1平板_，为了验证CFD模拟的可靠性，通过工程算法tEA(EngineeringAlgorithm)计算平板热流，与模图3缝隙流动结构示意图拟值进行对比。分析中主要关注高超声速流动带来的气动热的问题，也就是壁面热流的大小和分布。采用Ecke

7、rt参考焓方法，即在低速边界层的图4表示平板壁面沿着x方向的热流值，平基础上，将气体性能参数选为参考焓下的数值进板前缘热流最大，然后沿着流向迅速下降，在缝隙行求解。Eckert参考焓计算公式：入口处(X一0ram)迅速下降，缝隙底部热流几乎h一0．22h，+0．28h+0．5h(1)为零，然后在迎风面(X一2ram)迅速升高，远远超式中，为参考焓；h为边界层外缘焓；h是壁58结构强度研究2015年第1期程算法与CFD模拟都基本接近。湍流条件下，缝面焓；恢复焓h一h+÷“；，r是恢复因子，层流隙内气动加热比层流更为严重。

8、取r一~／Pr，湍流取r一Pr。在不可压缩Blasius解的基础上，应用雷诺比拟关系式，加人Eckert参考焓修正，得到平板层流(LaminarFlow)热流公式：_(]·332Pr()Re](hr-¨(2)平板湍流(TurbulentFlow)热流公式：％s“(。(。图6热流沿壁面分布曲线(一)(3)3．2缝隙通过CFD计算了层