典型外形高超声速气动力／气动热数值计算研究-论文.pdf

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1、2014年4月西北工业大学学报Apr．2014第32卷第2期JournalofNorthwesternPolytechnicalUniversityVol_32No．2典型外形高超声速气动力／气动热数值计算研究刘毅，王刚，叶正寅(西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国防科技重点实验室，陕西西安710072)摘要：通过数值模拟和理论分析的综合研究，比较了网格密度不同对计算的影响，研究了中心格式和3种迎风格式(AUSM+格式、AUSM+up格式、Roe格式)的计算性能，探讨了壁面温度变化对气动力／气动热计算的影响。结果表明：

2、网格密度变化对气动力计算影响不大，但却在很大程度上影响热流的计算及流动分离的模拟；各空间格式都能准确地计算出流场压力分布，有较高的激波分辨率，但鲁棒性有所差异，其中AUSM+up格式在高超声速流场计算中鲁棒性较好；壁面温度升高会导致所得分离区增大，气动力／气动热分布也会相应发生变化；在分离区后的流动再附会很大程度上增大该区域的热流值。关键词：高超声速，数值模拟，气动力／气动热，网格，空间离散格式，壁面温度中图分类号：V211文献标志码：A文章编号：1000—2758(2014)02—0169—07近年来，由于计算技术

3、的快速发展，计算流体力在文献[2]就曾指出，当壁面网格第一层高度增加学(computationalfluiddynamic，CFD)在理论和应用一倍时，会导致驻点热流计算值下降20％。上都有了长足发展，作为有效的科研手段在高超声Hoffmann也曾在文献[3]中指出，随马赫数、雷诺数速飞行器设计中发挥着重要的作用。等条件的变化，计算所需的近壁面网格高度差异很在高速飞行器的设计中，气动力和气动热是2大。例如，来流马赫数4增大到12时，所需的网格个重要的参数，同时也是CFD技术模拟高速流场求壁面高度要减小到其原来的1／8

4、。通常一种计算方解的重点。对于高超声速绕流流场的数值模拟，现法只能较好地模拟一种情况，来流条件一旦变化，所有的大多数CFD计算方法在气动力的计算中都能需的计算方法也会有所差异。此外，计算中模型表够给出令人满意的结果，可以较好地刻画流场动力面温度的不同也会导致计算所得压力、热流分布出‘学特性⋯。但不同的计算方法在不同区域表现不现很大的差异。本文针对典型外形下高速流场，选尽相同，对流场流动细节的捕捉，也存在差异。用不同网格、不同空间离散格式分别进行模拟计算，虽然CFD已经取得了很大的进展，但热流的计研究网格密度及分布对气

5、动力／气动热计算的影响，算仍是CFD中的难点问题之一。在计算中受数值分析不同计算方法之间的差异，探讨壁面温度的变格式、网格分布、物面温度、收敛过程等各方面因素化对流场计算的影响。关于流场的数值模拟，本文的影响，这些因素之间的耦合也增加了热流求解的采用由本课题组开发的混合网格求解器HUNS3D_4复杂性。目前对气动热的研究主要集中在CFD的进行计算，并将所得结果对比分析。格式效应和网格效应两方面，即影响气动热计算的主要是CFD计算格式和所使用的网格_2J。关于热1控制方程和计算方法流格式效应，多数文献结论基本一致。刮，

6、即格式耗散越小，黏性分辨率越高，热流计算精度越高。相在直角坐标系下，三维雷诺平均N．S方程的积对于计算格式而言，网格对热流的影响更大。Joon收稿日期：2013-04-18基金项目：国家自然科学基金(91216202)和中国航天科技集团公司航天科技创新基金资助作者简介：刘毅(1977一)，西北工业大学硕士研究生，主要从事计算流体力学研究。通信作者：王刚(1977一)，西北工业大学副教授、博士，E-mml：wanggang@nwpu．edu．cn第2期刘毅，等：典型外形高超声速气动力／气动热数值计算研究型轴线方向摩擦力

7、因数、压力因数以及热流的分布。近热流值¨引，这是由于流动再附增强了边界层外部图3中摩擦力取值为负是因为流动分离引起的”漩向物面的对流传热所致。此外还探讨了网格密度对涡回流”使物面摩擦力反向，导致摩擦力因数变为计算的影响，重点比较在不同网格下分离区计算结负值，因此可以认为摩擦力因数为零的点就分别是果。表2分别给出了分离点、再附点位置以及分离流动分离点和再附点。图中2条垂直于轴的虚区长度。结果显示，分离区的模拟对网格依赖性较线分别是实验所得分离点和再附点位置。流动分离大，随着网格的加密，计算所得的分离区逐渐增大。的存在严

8、重影响了分离区附近压力和热流分布。分其中由粗网格计算所得分离点位于X／L=0．467、分离区两端激波使气流减速增压，导致物面压力系数离区长度为0．115L，与实验值相差较大。细网格给分布曲线在两椎体相贯处形成一个“台阶”，如图4出的分离点位于X／L=0．442与实验值重合，分离区所示。图5为模型轴线方向热流分布，计算所得长度为0．163L，与实