高超声速气动热数值计算壁面网格准则.pdf

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1、2015年4月北京航空航天大学学报April2015第41卷第4期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．4http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0288高超声速气动热数值计算壁面网格准则张智超，高振勋4，蒋崇文，李椿萱(北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191)摘要：首先对高超声速气动热数值模拟中的3种壁面法向网格准则(平均自由程(MFP)、自由来流参数网格雷诺数和壁面参数网格雷

2、诺数准则)进行了分析．随后，提出了壁面参数预估方法，使得壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则无需进行试算即可直接预估壁面法向网格尺度．其次，运用提出的壁面参数预估方法结合不同网格准则，在同一实验条件下确定多个壁面法向网格尺度，通过与实验数据对比研究各网格准则确定的壁面法向网格尺度是否满足热环境模拟精度要求，并对提出的壁面参数预估方法进行验证．最后，开展了高超声速二维完全气体及真实气体效应算例、三维钝双锥算例的数值模拟．研究表明，壁面参数预估方法是可靠的；自由来流参数网格雷诺数准则随来流静温变化所确定的网格尺度变化趋势与物理推理相悖；基于壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则主要受壁面温度影

3、响，其在同一条件下所确定的网格尺度基本一致，并满足热环境模拟的精度要求．关键词：网格准则；气动热；高超声速；数值计算；网格雷诺数中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)04-0594-07近年来，高超声速临近空间飞行器迅速发展，随之带来的飞行器热防护问题日益突出，而气动热环境的准确预测对飞行器热防护系统的设计至关重要．随着数值方法和计算机硬件的迅速发展，计算流体力学(CFD)方法逐渐成为气动热环境预测的重要手段．但运用CFD方法模拟气动热环境的难点在于其精度受多种因素影响，如离散方法、边界条件、数值格式和计算网格等‘1‘2J，其中壁面法向网格尺度

4、特别是壁面法向第1层网格高度被认为是较重要的影响因素¨1．临近空间飞行器进行高空高马赫数飞行时，由于高空大气密度较小，外部流动一般处于层流状态．目前，层流状态下气动热环境预测的壁面法向网格尺度通常由基于壁面法向第1层网格高度的网格雷诺数确定．网格雷诺数确定方法有两种：一种为基于壁面参数的网格雷诺数¨“，另一种为基于自由来流参数的网格雷诺数∞41．除上述方法外，2010年程晓丽等提出了基于气体分子平均自由程(MFP)的壁面网格尺度确定准则H3．以上3种方法中，基于壁面参数的网格雷诺数准则在计算前无法完全确定壁面参数，只能通过多套网格进行测试，导致该方法不具有实用性，因此，很多学者采用基

5、于自由来流参数的网格雷诺数准则确定壁面法向网格尺度¨41．然而，直接运用自由来流参数计算网格雷诺数是否可行，与壁面参数网格雷诺数准则有何差异目前并无确切的研收稿日期：2014．-05—19；录用日期：2014-08-25；网络出版时间：2014-09-0516：00网络出版地址：WWW．cnki．net／kems／doi／10．13700／j．bh．1001-5965．2014．0288．html基金项目：国防基础科研计划基金资助项目(JCKY2013601B)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(YwF一14一HKXY-002)作者简介：张智超(1988一)，男，河北唐山人，博

6、士生，zhichaozhang@ase．buaa．edu．cnt通讯作者：高振勋(1982一)，男，河北廊坊人，讲师，gaozhenxun@buaa．edu．cn，主要研究方向为高超声速空气动力学、计算流体力学Bl用格式：张智趣．高振勋，蔫岽文．等．高超声速气动热数值计算壁面网格准则【J]．北京航空航天大学学报．2015．41(4)：594．600．ZhangZC，GaoZx，JiangCW，eta1．Gridgenerationcriterionsinhypersonicaeroheatingcomputations口J．JoumdofBei．ringUniversityofAer

7、onauticsandAstronautics，2015，41f4)：594—600(inChinese)．第4期张智超，等：高超声速气动热数值计算壁面网格准则595究．MFP准则虽然有较好的物理意义，但其仍需要先在粗网格上进行计算得到壁面密度才能确定壁面法向网格尺度．此外，飞行器以高超声速飞行时，由于高马赫数导致激波后温度迅速升高，当气体温度足够高时，振动能激发，气体发生离解甚至电离，出现真实气体效应现象，该现象会强烈影响气动热环境．对于有真实气体效应现