类apollo返回舱的数值模拟研究

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1、国内图书分类号：V411学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学硕士学位论文类APOLLO返回舱的数值模拟研究硕士研究生：刘茂名导师：周超英教授申请学位：工学硕士学科：流体机械及工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2012年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V411U.D.C:530DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFANAPOLLOLIKEREENTRYCAPSULECandidate：LiuMao

2、mingSupervisor：Prof.ZhouChaoyingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：FluidMachineryandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要返回舱在返回地球的过程中与大气层发生剧烈的摩

3、擦，产生大量的热量，巨大的动能转变成气体的内能，流场中气体的组分发生离解、复合、甚至电离等化学反应，这些化学反应会对返回舱周围流场参数产生重要的影响，是返回舱设计过程中必须考虑的关键因素。本文以类Apollo返回舱为研究对象，利用计算流体力学软件包对Navier-Stokes方程进行了数值求解，分析了热化学非平衡效应对返回舱的影响。本课题首先对不同的化学反应动力学模型进行验证，通过数值结果和实验结果的对比，发现Gupta和Park两种模型在激波捕捉和压力计算方面都能够与实验值匹配很好，但Gupta计算的返回舱壁面热流与实验值更吻合，而Pa

4、rk模型计算得到的壁面热流较小。并采用了三种不同的气体温度模型对返回舱进行了数值模拟，计算结果表明三种气体模型计算得到的压力几乎一致,完全气体模型得到的流场温度最高，双温度气体模型的流场温度次之，单温度气体模型的流场温度最小。本文还对返回舱在不同马赫数和小攻角下的流场进行了数值研究，计算结果表明，马赫数越大，返回舱的脱体激波距离越小，热化学非平衡现象越明显；攻角会影响壁面驻点位置，攻角越大，驻点越接近迎风面的肩部，且在迎风面区域，气体组分的离解比较剧烈，非平衡效应较明显。关键词：返回舱；气体温度模型；化学非平衡；马赫数；攻角-I-哈尔滨工

5、业大学工学硕士学位论文AbstractIntheprocessofreturningtotheEarth,re-entrycapsulerubsagainsttheatmosphere,whichgeneratesalotofheatandleadstoahugekineticenergychangeintotheinternalenergyoftheair.Underthehightemperatureeffect,somecomponentsoftheairperformingchemicalreactions,likedissoci

6、ation、compositeandionize,suchchemicalreactionshaveagreatimpactontheflowfiledofre-entrycapsule,andmustbetakenintoaccountintheprocessofdesigninganre-entrycapsule.Inthisthesis,anumericalstudyonanApollolikecapsuleiscarriedoutbysolvingNavier-StokesequationswiththehelpofESI-FAS

7、TRANsoftware,mainlyanalyzedtheeffectsofthermo-chemicalnon-equilibriumonre-entrycapsule.First,verifythedifferentchemicalkineticmodelsbycontrastingnumericalresultswithexperimentaldata,itdemonstratesthatGupta’schemicalkineticmodelismoresuitableforthenumericalstudy.Numericalc

8、alculationsofre-entrycapsulebyusingtheperfectgasmodel,thesingle-temperaturechemicalnon-equilibri