高超声速壁板流固热耦合建模与分析

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1、中图分类号：V215.3论文编号：102870115-S003学科分类号：080202硕士学位论文高超声速壁板流固热耦合建模与分析研究生姓名杨武学科、专业一般力学与力学基础研究方向气动弹性力学指导教师韩景龙教授南京航空航天大学研究生院航空宇航学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAerospaceofEngineeringCoupledFluid-Thermal-StructuralModelingandAnalysisofHypersonicSkinPa

2、nelAThesisinGeneralandFundamentalMechanicsbyYangWuAdvisedbyProf.HanJinglongSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015南京航空航天大学硕士学位论文承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使

3、用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：III高超声速壁板流固热耦合建模与分析摘要本文在全面回顾传统热气动弹性分析方法及其工程应用的基础上，基于气动热、气动弹性双向耦合的方法，对高超声速三维碳/碳复合材料层合壁板进行了热气动弹性响应分析。本文的主要工作和贡献有：1、建立了高超声速流场的工程近似模型，分别采用三阶活塞理论和参考焓法计算非定常气动力和可压缩边界层气动生热。该近似模型考虑了结构变形对气动生热的影响，是实现双向耦

4、合分析的关键。2、建立了带加强板的碳/碳蒙皮壁板的热和结构有限元模型，并对网格和时间步影响进行研究，选取合适的有限元网格和时间步。同时对气动热建模中需要考虑的气动热更新率、热辐射、环境温度的影响进行研究。3、在上述基础上，基于双向耦合思路建立了热气动弹性模型，并对分块求解以及准静态、动态求解过程分别进行描述，实现了有限元模型和近似高超声速气动模型的耦合。此外，分析了壁板的热和结构特征响应时间，并讨论了特征响应时间的比值对求解的影响。4、基于气动热-气动弹性双向耦合思路，对高超声速碳/碳蒙皮壁板在时域内进行准静态和动态响应预测。研究表明：高超声速下，气动加热和结构变形更加明显，

5、需要考虑结构变形和气动生热的相互耦合。考虑双向耦合的壁板失效更加严峻，且准静态分析中可以看出，对面内热膨胀的抵抗会导致壁板失效且依赖于飞行轨迹的失效模式。双向耦合几乎不增加成本，这是由于近似高超声速气动模型的使用。动态分析中每十个时间步更新一次热载荷可以很大的提高计算效率。关键词：高超声速，热气动弹性，三阶活塞，双向耦合，参考焓法IV南京航空航天大学硕士学位论文ABSTRACTBasedontheoverallreviewofaerothermoelasticanalysisanditsapplicationinpracticalengineering,thispaperpr

6、esentsaaerothermal-aeroelastictwo-waycouplingmethodfortheaerothermoelasticresponsepredictionofancarbon-carbonskinpanelinhypersonicflow.Themainworkisdividedintofourparts:Firstly,approximatehypersonicaerodynamicsmodelofapanelisformulatedbycombiningthethird-orderpistontheoryandtheEckert’srefer

7、enceenthalpy.Thismodelincludestheimpactofstructuraldeformationonaerodynamicheatingwhichisanessentialfeatureofthetwo-waycoupling.Secondly,thethermalandstructuralmodelsoftherepresentativecarbon-carbonskinpanelaredevelopedusingthefiniteelementmethod.Afterde