多场耦合计算平台与高超声速热防护结构传热问题研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar．252011V01．32No．3400—409ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)03—0400—10多场耦合计算平台与高超声速热防护结构传热问题研究张兵，韩景龙*南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京210016摘要：从有限元法(FEM)和有限体积法(FVM)的单元特性出发，提出一种具

2、有局部守恒特性的界面载荷插值方法。采用共享内存技术开发适用于通用有限元和计算流体力学(CFD)软件的多场耦合计算平台，并基于分区耦合方式实现流固耦合传热计算。作为验证，分别将ANSYS与Fluent和CFD—FASTRAN软件进行耦合，计算外壁冷却的喷管和高超声速圆柱绕流的耦合传热问题，结果与实验值吻合良好。针对类X-34飞行器的头部热防护结构(TSP)，考虑材料非线性和辐射效应，对高超声速巡航状态下驻点温度和结构冷却系统功率随热防护层厚度的变化规律进行了研究。计算结果表明：驻点温度随热防护层厚度的

3、变化并不明显，而冷却系统功率随热防护层厚度增加急剧降低；此外，材料发射率非线性对结果影响较大。关键词：多场耦合计算平台；守恒插值；计算流体力学；有限元法；热防护结构中图分类号：V211．3文献标识码：A具有高超声速和远程机动飞行的近空间飞行器，由于长时间飞行在恶劣的气动加热环境中，将为设计人员带来许多新的问题和挑战，如热防护系统、内部主动冷却系统及热气动弹性问题等。对于这些气动加热与结构热响应强烈耦合的问题，传统的热环境和热响应分割独立计算的方法已不再适用，必须采用流一固一热多场耦合计算方法进行研究

4、。多场耦合计算涉及各物理场的准确求解。目前以ANSYS和NASTRAN为代表的非线性有限元分析技术已较完善，可以分析包含各种几何与材料非线性、辐射、相变和复杂结构等结构动力学及传热问题。对于流场求解，基于Navier-Stokes方程的计算流体力学(CFD)软件也较为成熟，如FLUENT和CFD-FASTRAN等，可以模拟从低速到高速以及包含化学反应的非平衡流等复杂流动问题。因此，开发通用的耦合计算平台，充分利用现有软件的强大功能，可以为流一固一热多场耦合的复杂工程问题提供有效的解决手段。耦合计算平

5、台的关键问题包括以下两个方面：①载荷传递。对于位移和温度等场变量一般采用多项式插值、最近邻居(NearestNeighbor)以及样条插值等方法计算，其算法较为成熟。对于压力和热流通量等载荷则需要满足守恒性，即需要采用守恒插值(ConservativeRemapping)方法[1q]。②各场软件之间的数据传递和同步。实现多个软件之间的交互，需要从操作系统人手进行内核级别的程序开发。对于ANSYS和Fluent等提供了源代码级别二次开发功能的软件实现起收稿日期：2010-06-29：退修日期：2010

6、—10-09；录用日期：2010—12-16；网络出版时问：2010-12-2916：26：48网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20101229．1626．001．htmID0l：CNKI：11-1929／V．20101229．1626．001基金项目：国家自然科学基金(10872089)*通讯作者．Tel：025-84896484E-mail：hjlae@nu∞．eCJ．orl萼l用格武I张兵．韩案龙j多场耦合计羹平台与高趣声速热防护结构传热问题

7、研究[J-j航空学搬．201I，32(3)；400-409．a嘲Bing,HanJinglong．Multi-fieldcou叫edcomputingplatformandthermaltransferofhypersonicthermalprotectionstructuresL∞．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．20¨．32(3)：400-409．张兵等：多场耦合计算平台与高超声速热防护结构传热问题研究401来较为容易，对于CFnFASTRAN等未提供二次

8、开发功能的软件，则需要对操作系统有深入的了解。在高超声速热防护结构(TPS)的耦合传热计算方面，由于实际结构及传热过程的复杂性，工程上多采用分割独立求解方法来解决c5]，也有采用工程算法或整场方法来进行处理的[6-7]。需要指出的是，在高温条件下，材料的发射率非线性以及结构尺寸等因素对传热过程均将产生显著影响，但目前尚未见到相关报导。针对多场耦合计算平台的关键问题，本文提出一种满足局部守恒的载荷插值方法，根据已有的有限元和CFD分析软件的不同特性建立统一的多场耦合计算