高超声速气动热工程算法研究

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1、西北工业大学硕士学位论文高超声速气动热工程算法研究姓名：申请学位级别：硕士专业：流体力学指导教师：20050201西北工业大学硕士学位论文摘要摘要本论文进行了高超声速飞行器气动热工程算法的研究。基于Prandtl的边界层理论，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，将边界层外无粘流场的数值求解和边界层内粘性主导区域的工程算法相结合，发展了一套高超声速气动热的计算方法。首先，对国内外发展的各种高超声速气动热计算方法进行了系统的分析、归类和比较，综合了各种经典的热流预测方法。在此基础上，对于无粘流

2、区，采用牛顿法、切楔/切锥法等工程方法确定物体表面压力分布，利用等嫡条件确定边界层外缘参数;在边界层内部，则采用上述经典热流公式确定物体表面的气动加热。采用此方法对一些二维及简单三维外形进行了气动热计算，结果证明本方法具有较高的精度。基于己有的高超声速无粘Euler解算程序，对上述气动热计算方法中的无粘流区采用基于非结构网格的数值模拟，利用无粘数值结果来确定边界层外缘参数，从而发展出一套快速、高效、适用于复杂外形的高超声速气动热计算方法。通过对钝锥、钝双锥、飞船等外形有攻角情况下气动热的计算表明，采用这种方

3、西北工业大学硕士学位论文摘要AbstractInthisthesis,theaerodynamicheatingmethodsofhypersonicaircraftsarepresented.OnthebaseofPrandtltheory,thewholeflowfieldisdividedintoinviscidflowfieldoutoftheboundarylayerandviscousfieldintotheboundarylayer.Simulatingnumericallytheinvisc

4、idflowfieldandpredictingexperientiallytheviscousfield,thehypersonicaerodynamicheatingalgorithmsaredeveloped.Firstly,alltheaerodynamicheatingmethodsdevelopedbyothersareanalyzedsystematicallyandclassified.Alltheseclassicmethodsaresynthesized.Onthisbasis,thes

5、urfaceheatingispredictedwiththeabovemethods.SurfacepressuredistributionisprovidedwiththeengineeringmethodssuchasNewtonmethodtangent-wedge/conemethod,andsoon.Edgeconditionsfortheboundary-layersolutionareobtainedfromtheinviscidflowfieldsolutionwithconstanten

6、tropyconditions.Theheatingratesaroundsometwoandthreedimensionfiguresarecalculated.Theresultsshowthehighaccuracyofthepresentmethod.Onthebaseoftheexistinghypersonicinviscidprogram,theabovemethodisimprovedbysimulatingnumericallytheinviscidflowfieldonunstructu

7、redtriangulargrids.Thus,aninviscid-boundarylayermethodisdeveloped.Thismethodisrapid,efectiveandcapableofcomplicatedfigures.Theaerodynamicheatingratesaround西北工业大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论'1.1高超声速气动热研究的兴起气动热问题的提出是由于高超声速飞行器研制与发展的需要。半个多世纪以来，人类在高超声速飞行器发展方面的卓著成就，和防热技术的发展

8、密不可分。以弹道导弹来说，要使导弹飞得越远，速度就越高，气动加热就越严重;弹头越小，防热材料所占比重越小，防热层越薄，防热技术要求也越高。航天器的发展同样与防热技术的发展紧密相连。从1957年10月4日前苏联第一颗人造卫星发射成功，开创了人类航天的新纪元。1961年4月12日前苏联航天员加加林乘“东方”号载人飞船进入太空，绕地球飞行后安全返回地面。再入飞行器所遭受的热环境比不返回的轨道飞行器严重得多，载人比不载人