高超声速飞行器热结构材料气动热冲击模拟研究

发布时间：2016-12-18 13:59

  本文关键词：高超声速飞行器热结构材料气动热冲击模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

《哈尔滨工业大学》 2014年

高超声速飞行器热结构材料气动热冲击模拟研究

田枫林  

【摘要】：高超声速飞行器的飞行速度要达到5马赫数以上，是目前航天航空领域的研究前沿。高超声速飞行器的关键技术之一就是气动热防护问题。飞行器在大气层中高速飞行时，由于机体对气流的粘滞作用，致使机体表面边界层空气受到强烈压缩和摩擦作用，大大增加气体内能，产生温度骤升现象。研究气动加热的内在机理，，提升热防护技术，对于保护高超声速飞行器的弹体不受破坏及内部设备功能不受影响，显得极为重要。 经过近几十年的发展，高超声速飞行器气动热的研究已经取得了初步的成果，并得到了流场特性与结构特性分布规律，奠定了一定的理论基础。随着研究的逐步深入，又出现了更多的问题，比如高超声速流场产生的边界层转捩现象及复杂高超声速流-热-固耦合场等。本文针对以上问题进行了相关的模拟研究。 本文首先研究了典型模型高超声速气动加热外流场的数值模拟。通过与实验数据的对比验证，来比较不同湍流模型在计算高超声速气动加热时的适用性。并在此基础上，探讨不同马赫数、不同攻角、不同壁面温度以及不同来流湍流强度对模拟结果的影响。然后研究了高超声速飞行器流-热-固耦合的数值模拟。分别采用单向耦合与双向耦合两种耦合方法，对飞行器锥体的流-热-固耦合场进行了研究分析，并在此基础上进行了结构材料的优化设计，增强抗气动热冲击的能力。 对典型模型高超声速气动加热外流场的数值模拟结果显示，不考虑边界层转捩时，三种二方程湍流模型中，SST k-ω模型的模拟结果优于标准k-模型和标准k-ω模型。且不同马赫数和不同攻角下，SST k-ω模型均能准确的模拟双椭球高超声速气动热的外流场。此外，考虑边界层转捩时，一方程湍流模型和二方程湍流模型均不能预测边界层转捩，而三方程湍流模型-Transition k-kl-ω模型能准确的预测边界层转捩的发生和模拟转捩对传热所产生的影响。壁面传热和自由来流湍流强度均对边界层转捩位置产生影响，而来流马赫数对边界层转捩的影响仅仅体现在转捩后的热流密度值不同。网格质量以及关键部位的网格疏密程度很大程度上决定了模拟的准确性。在计算高超声速流动时，壁面处网格y+值应小于1。 对高超声速飞行器流-热-固耦合的数值模拟结果表明，双向耦合方法能够较准确的模拟飞行器锥体的流-热-固耦合场。单向耦合方法计算结果存在顶端节点温度较高，且锥头部温度梯度较大，热变形梯度也较大，高温区与高变形区都集中于顶端区域。双向耦合方法解决了单向耦合方法的上述问题。顶端区域温度梯度相对单向耦合较低，高温区的壁面的热流密度下降；由温度变化引起的结构热变形梯度较小，热应力也较低。利用双向耦合方法计算得出的壁面温度，随着时间推移会逐渐升高，且升高速率逐渐降低，且壁面温度的分布与热流密度的分布呈正相关。应用C/SiC复合材料作为锥头材料，相对30CrMnSiA合金钢和Nb合金锥头温度较高，但在C/SiC复合材料的适用范围之内，而热变形最低。不仅具有抵抗热冲击的能力，还起到了隔热的作用。因此C/SiC复合材料锥头增强了飞行器抗气动热冲击的能力。

【关键词】：
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK124;V411.4
【目录】：

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2 张兵;韩景龙;;多场耦合计算平台与高超声速热防护结构传热问题研究[J];航空学报;2011年03期

3 赵晓利;孙振旭;安亦然;郑钢铁;;高超声速气动热的耦合计算方法研究[J];科学技术与工程;2010年22期

4 杨亚政;李松年;杨嘉陵;;高超音速飞行器及其关键技术简论[J];力学进展;2007年04期

5 黄春生,吴杰,范绪箕;飞行器流场与结构温度场耦合数值分析[J];力学与实践;2004年02期

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1 吕建伟;王强;;飞行器表面三维流场与固壁温度场的耦合分析[J];北京航空航天大学学报;2009年08期

2 李鹏飞;吴颂平;;一种新的界面处理方法在气固耦合传热中的应用[J];北京航空航天大学学报;2010年09期

3 吴洁;阎超;;气动热与热响应的耦合研究[J];导弹与航天运载技术;2009年04期

4 李鹏飞;吴颂平;;二维圆柱在高超声速气流中的耦合传热计算[J];导弹与航天运载技术;2010年06期

5 任青梅;;热/结构试验技术研究进展[J];飞航导弹;2012年02期

6 刘冬欢;郑小平;王飞;刘应华;;内置高温热管C/C复合材料热防护结构热力耦合机制[J];复合材料学报;2010年03期

7 艾青;夏新林;唐尧;;求解飞机蒙皮耦合热效应的壁面热流函数法[J];工程热物理学报;2006年04期

8 李欣;张剑飞;何雅玲;陶文铨;;二维流场、热结构松耦合模拟研究[J];工程热物理学报;2012年01期

9 赵利华;张开林;张红军;;还原炉冷却模块流场与温度场耦合数值分析[J];兰州理工大学学报;2008年03期

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1 喻亮;茹红强;薛向欣;左良;;C_(纤维)／SiC／B_4C复合材料气动烧蚀氧化过程的数值模拟[A];2005年全国计算材料、模拟与图像分析学术会议论文集[C];2005年

2 廉成斌;史留保;任章;;基于Backstepping的吸气式高超声速飞行器自适应控制[A];2013年中国智能自动化学术会议论文集（第四分册）[C];2013年

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3 艾青;热辐射与高速流耦合换热的数值研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 贺乃宝;近空间飞行器抗干扰鲁棒飞行控制研究[D];南京航空航天大学;2011年

5 张兵;高超声速多场耦合及其GPU计算加速技术研究[D];南京航空航天大学;2011年

6 冯军宗;炭气凝胶及其隔热复合材料的制备与性能研究[D];国防科学技术大学;2012年

7 王俊;高超声速飞行器气动热烧蚀预测与控制研究[D];华南理工大学;2013年

8 胡锐锋;高速飞行气动环境、气动特性快速预测与应用[D];清华大学;2012年

9 傅健;近空间飞行器非线性飞控系统鲁棒滑模控制[D];南京航空航天大学;2013年

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1 符致勇,范绪箕,黄春生;航天器突起物热防护结构的瞬态温度场有限元分析[J];导弹与航天运载技术;2004年03期

2 吴洁;阎超;;气动热与热响应的耦合研究[J];导弹与航天运载技术;2009年04期

3 夏刚,刘新建,程文科,秦子增;钝体高超声速气动加热与结构热传递耦合的数值计算[J];国防科技大学学报;2003年01期

4 黄唐,毛国良,姜贵庆,周伟江;二维流场、热、结构一体化数值模拟[J];空气动力学学报;2000年01期

5 耿湘人,张涵信,沈清,高树椿;高速飞行器流场和固体结构温度场一体化计算新方法的初步研究[J];空气动力学学报;2002年04期

6 沈玲玲;吕国志;姚磊江;;空天飞行器再入过程中关键热结构的热分析[J];强度与环境;2006年02期

7 雷延花,徐敏,陈士橹;高超音速飞行器气动加热计算[J];上海航天;2001年05期

8 范绪箕,董葳;飞行器突起物周围气动加热的计算方法[J];宇航学报;1998年01期

9 吕丽丽;张伟伟;叶正寅;;高超声速再入体表面热流计算[J];应用力学学报;2006年02期

10 徐超;张铎;;高超声速飞行器热防护系统尺寸优化设计[J];中国空间科学技术;2007年01期

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8 周浩;陈万春;殷兴良;;高超声速飞行器多段弹道优化设计[J];宇航学报;2008年04期

9 马辉;袁建平;方群;;高超声速飞行器最优周期巡航轨迹优化[J];飞行力学;2008年04期

10 张军;毕贞法;邵晓巍;;一种高超声速飞行器的非线性再入姿态控制方法[J];空间控制技术与应用;2008年04期

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1 阎超;;未来的飞行器——高超声速飞行器发展展望[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展（下册）[C];2001年

2 严玲玲;李少远;;高超声速飞行器的预测控制和可视化仿真[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年

3 姚照辉;鲍文;;高超声速飞行器调节/保护多模式切换控制方法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年

4 庄益夫;陈洁;潘长鹏;;一类高超声速飞行器的建模及非线性控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年

5 贺杰;郑德斋;;高超声速飞行器的特点及关键技术研究[A];第九届长三角科技论坛——航空航天科技创新与长三角经济转型发展分论坛论文集[C];2012年

6 鲍文;姚照辉;常军涛;于达仁;唐井峰;;高超声速飞行器耦合动力学建模问题探讨[A];第二届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2009年

7 鲍文;姚照辉;;高超声速飞行器调节/保护多模式切换控制方法[A];第二届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2009年

8 谭湘敏;易建强;范国梁;;高超声速飞行器飞行特性分析及其控制研究[A];第二届高超声速科技学术会议会议日程及摘要集[C];2009年

9 谭湘敏;易建强;范国梁;;高超声速飞行器滑模自适应控制研究[A];第三届高超声速科技学术会议会议文集[C];2010年

10 孙未蒙;张靖男;郑志强;;高超声速飞行器控制技术的几个增长点[A];中国航空学会控制与应用第十二届学术年会论文集[C];2006年

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1 徐晖;[N];中国航空报;2009年

2 本报记者 陈龙　通讯员 王二强;[N];中国航天报;2012年

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1 王倩;高超声速飞行器飞行控制系统设计方法与仿真研究[D];复旦大学;2011年

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