高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252015V01．36No．1311．324ISSN1000．6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cnDOI：10．7527／$1000一6893．2014．0241高超声速飞行器表面温度分布与气动热耦合数值研究董维中*，高铁锁，丁明松，江涛，刘庆宗中国空气动力研究与发展中心，绵阳621000摘要：针对高超声速飞行器热防护设计中的高温气体非平衡效应问题和气动热环境精确预测问题，基于流场的非平衡Navier-S

2、tokes方程、表面的能量守恒方程和内部的热传导方程，考虑流场的非平衡效应、表面的热辐射效应、催化效应和烧蚀效应以及热防护层内部的热传导效应，建立了初步的表面温度分布与气动热的耦合计算方法，完善了高超声速飞行器气动物理流场计算软件(AEROPH—Flow)。在表面材料为碳～碳(C-C)条件下，对飞行高度为65km和飞行速度为8，10km／s的半球以及飞行高度为50km和飞行速度为8km／s的球锥模型，开展了表面温度分布与气动热的耦合计算，验证了计算方法和计算软件，分析了表面温度分布对气动热环境的影响。研究结果表明：表面温度分布对气动热的计算结果有较大影响，在气动

3、热环境的预测中，不仅要考虑热化学非平衡效应和表面催化效应的影响，还要考虑表面温度分布的影响，最好是采用表面温度分布与气动热耦合计算的方法，以减小表面温度分布对气动热计算结果的影响。为此，需要发展完善非平衡流场／表面催化和烧蚀／热传导温度场(气／表／固)的计算模型、趣合求解技术和计算软件，实现对高超声速飞行器的真实飞行条件下高温气体非平衡效应和气动热环境的精确模拟。关键词：高超声速飞行器；热化学非平衡效应；表面温度分布；气动热环境；数值模拟中图分类号：V434+．11文献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)01—0311-14高超声速飞行器在临近空间

4、飞行(或再入或滑翔)过程中，如果飞行马赫数在10以上，周围绕流流场的空气最高温度在4000K以上。在这样的条件下，周围绕流流场中高温空气中的氧分子0z和氮分子Nz存在不同程度的离解和电离等化学反应，分子和原子的内能模式被不同程度的激发，这种化学一物理现象就是高温气体效应。高温气体效应包括化学效应和热力学效应，在高速流动情况下，化学效应分为化学冻结流、化学非平衡流和化学平衡流，热力学效应分为热力学冻结流、热力学非平衡流和热力学平衡流，即出现非平衡效应。同时，飞行器表面的防热材料会对高温空气的化学反应产生催化效应，使流场中高温化学反应生成的氧原子和氮原子在飞行器表面

5、附近发生复合反应，而流场中的氧组分和氮组分也会使飞行器表面的防热材料发生氧化和氮化等热化学现象。若飞行马赫数非常高或外形特征尺寸非常小，气动加热严峻，飞行器表面的防热材料还会发生微烧蚀或烧蚀现象，烧蚀产生的气体组分又会与流场中的气体组分发生化学反应。以上所有这些气动一化学一物理现象，统称为高温气体非平衡效应。高温气体非平衡效应不仅对飞行器气动力特性和气动热环境产生严重影响，还会对飞行器目标特性和通信传输特性等产生影响。收稿日期：2014—07-04；退修日期：2014-09—10；录用日期：2014．10-13；网络出版时闻：2014．10—1414：10网络出

6、版地址：WWWcnnnet／kcms／detail／10．7527／S1000．6893．2014．0241．htmI基金项目：国家自然科学基金(91216204)*通讯作者．Tel．：0816—2463298E-mail：dongwzl966@163．com确甩格武：DongWZ．GaoTS．OingMS，etal．Numericalstudyofcoupledsurfacetemperaturedistributionandaerodynamicheatforby-personicvehicles[J]．ActaAeronauticaetAstronauti

7、caSinica．2015．36(1)：311-3247董维中．高铁镁．T跪松．等?高超声速飞行器表面温度分布s气动热藕合数值研究[∞航空学报，20{5．36({)：311-324．航空学报Jan．252015VoI．36No1近十年来，临近空间飞行器、飞船和深空探测器等高超声速飞行器的研制越来越受到高度关注，并得到了较大发展。特点是飞行器外形越来越复杂、再入或飞行速度越来越高、控制要求更精确和有效载荷更大等，在这种情况下，准确预测气动力特性和气动热环境就非常关键，高温气体非平衡效应的研究也就越来越得到重视。在工程应用中，一般是通过飞行验证试验、地面风洞试验和数

8、值模拟与理论分析相结合的