高超声速气动热环境工程算法

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1、2010年第4期导弹与航天运载技术No．42010总第308期MISSILESANDSPACEVEHICLESSumNo．308文章编号：1004．7I82(2010)04．0019-05高超声速气动热环境工程算法杨恺1，高效伟2(1．东南大学：r=程力学系，南京，210096：2．大连理工大学航空航天学院，大连，116024)摘要：对高超声速飞行器气动热环境工程算法进行研究。基于Prandtl边界层理论，将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导的区域，并将两者的工程算法相结合，发展了一套高超声速气动热的计算方法。对于无粘流区，边界

2、层外缘参数的计算采用完全气体模型和平衡气体模型，利用等熵条件来确定；在边界层内部，基于参考焓方法，采用经典热流密度公式，确定物体表面的气动加热。采用此方法对一些简单三维外形进行了气动热计算，证明所述方法具有较高的精度。关键词：高超声速飞行器；气动热环境；边界层理论；工程算法中图分类号：V414．4文献标识码：AEngineeringAlgorithmforAeroheatingEnvironmentofHypersonicAircraftsYangKail，GaoXiaowei2(1．DepartmentofEngineeringMech

3、anics，SoutheastUniversity，Nanjing，210096；2．DepartmentofAeronauticsandAstronautics，DalianUniversityoftechnology，Dalian，116024)Abstract：Theaeroheatingenvironmentengineeringalgorithmforhypersonicaircraftsispresent．BasingonthePrandtlboundarylayertheory，thewholeflowfieldisdivi

4、dedintoinviscidflowfieldoutoftheboundarylayerandtheviscosity-dominatedinnerboundarylayer．Combiningengineeringalgorithmsforthetwofields，analgorithmforhypersonicaerodynamicheatingenvironmentisdeveloped．Forinviscidflow,theparametersattheedgeoftheboundarylayerarecalculatedbyu

5、singconstantentropyconditionsforidealandequilibriumgas．Withintheboundarylayer，basedonthereferenceenthalpymethod，theclassicalheatfluxformulaareusedtodeterminethesurfaceaerodynamicheating．Usingthismethod，theheatingratesforsomesimplethree-dimensionalshapesofaircraftsarecalcu

6、lated．Theresultsshowthehighaccuracyofthepresentedmethod．KeyWords：Hypersonicaircraft；Aerodynamicsthermalenvironment；Boundarylayertheory；Engineeringalgorithm0引言高超声速飞行器是未来重要发展的飞行工具，飞行器以超声速或高超声速飞行时，由于空气粘性作用，物面边界层内具有很大速度梯度的各气流层产生了强烈的磨擦，造成壁面附近气温升高。高温空气将不断向低温壁面传热，引起很强的气动加热，有可能导致

7、飞行器外形、结构强度及刚度的改变，对飞行器的正常飞行造成极为严重的影响。高超声速飞行器的热环境十分复杂，其防热是研制中最关键的技术。因此，研究高超声速飞行器气动加热的预测方法对高超声速飞行器设计是非常重要的。目前，虽然已经有用求解N．S方程来预测航天飞机热环境的i萄精度CFD软件，但这种方法比较复杂、费时，而且有些参数难以准确确定，不便于设计阶段的使用。因此，发展一套较简单而有效的气动热环境预测方法，满足高超声速飞行器初步设计的需要具有现实意义。本文基于Prandtl边界层理论，通过将流场分为边界层外的无粘流场和边界层内粘性主导区的技术，

8、发展一套高超声速气动热的过程计算方法。1边界层外缘参数计算飞行器表丽热环境与表面边界层外缘的气动参数(如流速、压力)密切相关。对于完全气体或平衡气体，所有状态参数(压力、密度、温度、焓、声速、