高空状态下高超声速乘波飞行器气动性能模拟

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1、第30卷第7期兵工学报V0I_3ONO．72009年7月ACTAARMAMENTARIIJu1．2009高空状态下高超声速乘波飞行器气动性能模拟肖洪，吴丁毅，刘振侠，廉筱纯(西北工业大学动力与能源学院，陕西西安710072)摘要：运用以分子动力学为基础的直接仿真的蒙特卡岁(DSMC)方法，发展了临近空间飞行器气动性能模拟软件系统。以某型航天飞机再入大气层为例，验证了系统的有效性。对乘波构型飞行器在高度为70～100km的临近空间区域的气动性能进行了模拟，研究了稀薄气体效应对高超声速乘波构型气动特性的影响。由于70～100km的临

2、近空间区域处于连续介质区与温度和速度跳跃区．在DSMC的模拟中为避免模拟陷于大量的分子碰撞计算，对DSMC算法的碰撞模型和有效碰撞次数进行了改进。研究结果表明：在临近空间区域，乘波构型的升阻比特性略有下降，但仍旧保持了高升阻比的气动优势；DSMC模拟结果与NS方程模拟结果随着高度增加，两者差距逐渐增大．稀薄气体效应逐渐显著；DSMC方法的模拟中，经过多次计算，最终确认在每个网格区域内15次有效碰撞次数足以模拟气体的宏观物理特性。关键词：流体力学；直接仿真的蒙持卡罗方法；稀薄气体；升阻比；临近空间；气动特性中图分类号：TB115文

3、献标志码：A文章编号：1000—1093(2009)07—0907—04AerodynamicPerformanceSimulationofHypersonicWaveriderinNearSpaceXIAOHong，WUDing—yi，LIUZhen—xia，LIANXiao—chun(SchoolofPowerandEnergy，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，Shaanxi，China)Abstract：Aerodynamicperformancesimula

4、tionsoftwaresystemofhypersonicwaveridervehiclesinnearspacewasdevelopedbyusingthedirectsimulationMonteCarlo(DSMC)methodbasedonmolec—ulardynamics．Takingacertainaerocraftasanexample，theeffectivenessofthesystemwasverified．Aerodynamicperformancesofthevehicleattheheightof7

5、0—100kminnearspaceweresimulated，theinfluenceofraregaseffectonaerodynamicperformanceofthevehiclewasstudied．CollisionmodelandeffectcollisionnumberoftheDSMCmethodwereimproved，inordertoavoidingalargeamountmoleculecollisioncalculationcausedbyDSMCsimulationincontinuousmedi

6、umdistrictandiumpinessdistrictbetweentemperatureandvelocityattheheightof70—100kminthenearspace．Thestudiedresultsshowthecharacteristicoflift—to．dragratioofthevehicledescendsinnearspace．butitremainshighlift—to—dragaerodynamicadvantage；thedifferenceofsimulationresultsbe

7、tweentheDSMCandNSequationincreaseswiththeheightincreasingandtheeffectofraregasincreasesgradually；itisprovedthatfifteeneffectcollisionnumberineverygridisenoughtosimulatethemacrophysicalcharac—teristicofairinDSMCmethod．Keywords：fluidmechanics；directsimulationMonteCarlo

8、method；raregas；lift—to-dragratio；nearspace；aerodynamicperformance乘波构型以其高升阻比的气动优势，作为高超声速飞行器的理想候选构型已经引起了国内外同行收稿日期：2008—0331基金项目：航天科技创