《航天飛行器非定常氣動環境的數值研究》是依託中國航天空氣動力技術研究院，由劉周擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：航天飛行器非定常氣動環境的數值研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉周
- 依託單位：中國航天空氣動力技術研究院
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
航天飛行器在任務各個階段面臨複雜的非定常氣動環境，包括旋渦的生成與脫落、流動的分離與再附、激波的運動與干擾、激波-邊界層干擾等，這些非定常氣動環境使得飛行器產生脈動的氣動載荷，給飛行器的結構、控制系統帶來不利的影響，嚴重的甚至影響任務的安全和成敗。總體來講，航天飛行器的非定常環境是粘性流動作用的結果，並且都與流動分離有關：物形變化導致的分離或者激波-邊界層干擾誘發的分離，分離流動的進一步發展形成更複雜的非定常流動。因此航天飛行器非定常氣動環境的預測本質上是對強粘性作用下分離流動的精確模擬，進而提取有用的氣動載荷。本項目以航天飛行器面臨的非定常氣動環境問題為背景，完善高精度非定常數值模擬方法，提高大分離流動環境下脈動壓力的模擬精度，開展航天飛行器豎立風載、跨聲速抖振、部件流動干擾的數值模擬研究，建立非定常氣動環境數值分析與評估平台，為航天飛行器非定常氣動載荷的分析提供技術支撐。
結題摘要
針對火箭類航天運載飛行器對非定常載荷高精度預測的需求，項目建立了航天飛行器非定常氣動環境數值分析與評估平台。平台採用基於DES 類型的RANS-LES 混合方法模擬非定常大分離流動，發展了兩種適用於全速域的低耗散數值格式，建立了基於流動特徵的非結構格線自適應技術。對典型分離流動的模擬表明，本項目建立的非定常氣動環境數值分析與評估平台可充分提高大分離流動中激波、旋渦、剪下層等複雜流動特徵的分辨精度，進而提高非定常氣動特性的預測能力。項目利用建立的平台對火箭類航天飛行器遇到的典型非定常氣動環境開展了數值模擬研究與分析，主要包括：帶助推級火箭外形的豎立風載研究；錐-柱外形跨聲速流動的抖振問題研究；突起物超聲速流動的脈動壓力計算分析。研究結果顯示：1、帶助推級火箭外形由於助推級和芯級流場之間的干擾，位於主流尾跡區的助推級和火箭芯級上存在較強壓力脈動。脈動頻率低且聲壓級強度弱，但幅值很大，風向角45°時最大達到平均壓力係數絕對值的200%，這種強脈動幅值影響火箭在豎起狀態下的支撐安全和箭體穩定。2、火箭錐-柱外形在跨聲速流動下存在交替流現象是火箭在跨聲速流動下形成抖振的根本原因。即在同一馬赫數下，流動形態在亞聲速分離流和超聲速附著流之間轉變，這使得飛行器的表面壓力發生變化，帶來明顯的非定常載荷。由於激波和分離流動之間相互作用，柱段激波後部表面有較大脈動，峰值頻率約為20Hz，聲壓級強度接近140分貝。3、超聲速來流下，前方邊界層和突起物脫體激波的相互干擾是火箭表面突起物非定常載荷產生的主要原因，脈動聲壓級達到145分貝，頻率約為1550Hz。高頻的強脈動對結構強度會造成較為嚴重的影響。突起物後方分離流動造成的壓力脈動相比於前方強度要略弱，最強脈動出現在流動再附位置。本項目的研究成果可用於各類航天飛行器在任務全階段所面臨的非定常氣動環境的預測和評估，在當前我國各類航天新型飛行器層出不窮的背景下，具有較好的套用前景。
