高速底部氣動熱環境的工程與數值混合算法研究

《高速底部氣動熱環境的工程與數值混合算法研究》是依託北京航空航天大學，由袁軍婭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高速底部氣動熱環境的工程與數值混合算法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：袁軍婭
• 項目類別：青年科學基金項目

項目摘要

高速底部流動含有膨脹波、自由剪下層、分離渦、激波等複雜現象，氣動熱環境精確計算是具有挑戰和丞待解決的技術難題。飛行器底部熱環境相對身部低很多，一直以來未得到重視，理論研究遠遠落後於實踐。隨著機動飛行器的發展及深空探測飛行器有效載荷的需求，對飛行器底部熱防護結構質量限制越來越高，飛行器尾部熱環境裕度設計已經不能滿足工程設計需要，急需改進計算方法。近年來興起的RANS/LES混合算法在底部流場計算方面已經取得了突破性的進展，本項研究將圍繞底部流動加熱機理和計算方法，研究影響尾部複雜流動熱環境計算的主要因素，將RANS/LES混合算法擴展至尾部熱環境計算，發展RANS/LES混合算法，以適應尾部熱環境計算的需求，同時建立數值與工程相結合的新方法，為解決尾部熱環境問題開闢新的途徑，研究結論將有助於對高速底部熱環境的理解。

結題摘要

高速底部流動在彈丸、飛彈、再入探測等飛行器的流場中經常出現，因為其存在分離、激波和膨脹波等複雜流動結構，理論研究滯後於套用和實驗研究，目前尚沒有一種能夠完全準確預測這種流動機理的方法。對於超聲速湍流底部熱環境預測，工程設計中常採用源自風洞和飛行試驗的半經驗公式，並套用裕度設計的方法，計算不確定性很大，隨著機動飛行器的發展及有效載荷的需求，飛行器底部空間和質量愈來愈緊張，這種裕度設計的方法急需改進。因此，需要細緻研究底部流動特徵，尋找更合適的超聲速飛行器底部熱流的計算方法。 本項研究開展了工程與數值相混合預測底部熱流的計算方法。首先，研究了新型分離渦模型（DES, Detached Eddy Simulation）方法在超聲速底部熱流計算中的套用情況，分別採用數值方法計算了球錐模型、圓柱模型和大鈍頭體再入飛行器模型，結合文獻中的實驗數據，研究了不同數值計算模型的計算效果和影響因素，對底部熱流模型的情況進行總結，確定了適合超聲速底部熱流數值計算方法。另外，還通過計算不同來流工況和幾何外形參數的球錐模型，分析各個參數對底部流場的影響，為建立底部熱流工程計算方法提供了數據支持。第二，研究了計算底部熱流的各種半經驗工程方法，通過仿真算例結果與實驗數據對各個關係式的套用做出了評價。另外，通過數值模擬的計算結果修正了在高雷諾數下球錐模型底部熱流關聯式。第三，研究了基於壓力比的工程熱流關聯式方法與數值仿真方法相結合預測底部熱流的混合方法，並對這種工程與數值混合計算方法的計算過程做出概括，分析了計算效果。 本項研究表明，在計算格線和計算參數設定合理的條件下，採用DES方法能夠獲得令人滿意的超音速底部熱流結果，而採用工程與數值混合計算方法是超聲速底部熱流預測的一種有效途徑，在滿足計算精度要求下，可以明顯降低計算耗時。