高超声速飞行器流-热-固耦合研究现状与软件开发.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul．252017VOI．38No．7SSN1000—6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn高超声速飞行器流一热一固耦合研究现状与软件开发桂业伟1，刘磊1’2一，代光月1，张立同21．中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室，绵阳6210002．西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室，西安710072摘要：新一代高超声速飞行器流～热一固耦合问题研究对准确评估与设计飞行器热防护系统结构尤为重要。回顾了高超声速飞行器流一热一固耦

2、合问题的发展历程与现状。从物理含义出发，对高超声速流热一固耦合问题各学科间的耦合关系以及各自的建模方法进行了归纳。对高超声速飞行器流一热一固耦合问题的研究进展，特别是流一热一固多场耦合分析策略／方法进行了总结。从平台框架、功能模块、耦合方法和技术特点等方面，对中国空气动力研究与发展中心自主研发的热环境／热响应耦合计算分析平台(FL—CAPTER)进行了阐述。最后，对高超声速飞行器流一热一固耦合发展所面临的问题和发展趋势进行了讨论。关键词：高超声速；多学科耦合；热一固耦合；流一固耦合；流一热一固耦合中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)07～02

3、0844—19自20世纪初莱特兄弟的第1次飞行以来，飞行器的飞行高度和速度都经历了指数式的增长。1949年2月，美国的V一2／wACCorporal探空火箭成为了第1个完成高超声速飞行的飞行器，也标志着人类进入了高超声速飞行时代。此后的60多年，人类一直致力于发展高超声速飞行器相关技术。特别是跑道水平起飞、单级人轨的空天飞机(AerospacePlane)，虽然美国经历了20世纪60年代[11和80年代口1两次因当时技术水平无法达到而被迫终止计划[30的情况，但研究热潮始终未消退。近年来，陆续开展的Hyper-X[4]、Hy—Shot[5【、FAH[6]、FALCON：71、X一51

4、[s91和HI—FiRE[1阳等高超声速飞行器研究项目[412]和相关基础研究也证明了各国对高超声速飞行器及相关技术的极大重视。新一代高超声速飞行器多采用细长体、升力体或乘波体构型，如图1所示。其机身和控制舵面由于质量限制具有较大的结构柔度。同时，为满足临近空间高超声速飞行器较高的飞行马赫数要求，在长时间的气动力、气动热综合作用下，一个十分复杂的流一热～固耦合(Fluid—Thermal—StructuralCoupling)问题随之产生。随着研究的深人，人们逐渐发现，高超声速飞行器设计成功与否，很大程度上取决于对高速飞行时的流一热一固耦合问题的理解口3。15]。高超声速飞行条件下，

5、气动、热、结构、惯性力及控制存在强耦合关系，在设计过程中如果处理不当，可能造成飞行器结构的灾难性后果。一般来讲，耦合问题强烈依赖需解决的物理现象。对于高超声速飞行器的流一热一固耦合问题，飞行器在高速飞行时产生的气动热会造成结构温度场的改变，进而引起材料属性、几何形状、收稿日期：2016—10—12：退修日期：2016-11-08；录用日期：2016-11—22；网络出版时间：2016—11—2915：02网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V20161129．1502002html基金项目：国家自然科学基金(11472295)*通讯作者．E-ma

6、il：LeiLIU@cardc．crt嘲搠格武；桂韭伟，铷磊，代光局，等．高超声速飞行器流一热-盈耩舍研究巍状与软件开发[旬．航空学报，2017，38(7)：020844．GUIYw．LfuL。DAIGY．eta1．Researchstatusofhypersonicvehiclefluid-thermal-solidcouplingandsoftwaredevelopment[J]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(7)：020844．020844．1航空学报赐一国一图1新型高超声速飞行器Fig．1Newgenerationof

7、hypersonicvehicles结构应力、结构模态和结构刚度的变化。同时，高超声速流动涉及诸多低速流动里没有的现象，如电离、化学反应流、黏性流间的相互影响等，这些现象大大加剧了耦合问题的复杂性。本文将对流一热固耦合问题的研究历程与发展现状进行综述，包括该问题的物理含义、建模方法和分析方法的发展与演变，并提出今后的发展方向。同时，针对国外已建立较完善的耦合分析系统并用于飞行器研制r16。1⋯，而国内则以独立商用软件应用为主这一现状，本文还详细阐述了中国自