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题目:超音速飞行器喷管-后体一体化流场及热防护特性研究

关键词:数值模拟; 正交实验; 响应面法; 多场耦合; 气体辐射

  摘要


      本文利用数值模拟方法,围绕超音速飞行器喷管-后体的一体化流场及热防护特性,通过对流场气动性能分析、一体化试验设计优化、热防护特性分析,针对轴对称喷管、二元喷管、浮动调节片引射喷管、带尾翼的单发/双发喷管-后体等开展了研究工作,旨在为超音速飞行器先进排气系统的研发、设计提供技术参考和依据。

       采用改进的WJ2000显式代数雷诺应力非线性湍流模型,并基于  BSL模型开发了一套适合全速度流场,尤其适合排气系统内外流场的数值方法。数值模拟程序采用三阶精度迎风偏心格式MUSCL插值压缩限制器离散N-S方程,二阶精度TVD格式 MUSCL插值扩散限制器离散湍流模型输运方程和燃气组分输运方程,并使用带预处理矩阵的LUSGS隐式时间推进法求解N-S方程、湍流输运方程和气体组分方程,保证了计算精度、计算稳定性和可实现性。研究了多组分气体传输方程的耦合计算方法,比热比γ随温度和组分的变化而变化,并推导了该条件下理想推力和理想流量的计算方法。该方法被应用于平板边界层、轴对称喷管、二元喷管内外流场与圆柱绕流流场计算中并取得了很好的结果。

       为进一步验证程序计算流场的准确性并加以应用,对带尾翼的单/双喷管-后体在跨音速环境下不同落压比时的内外流场进行了数值模拟。计算结果与试验数据进行了对比,分析了落压比、尾翼布局、喷管间距等对喷管-后体的气动性能的影响。落压比的增加对于喷管-后体的阻力减小是有利的;垂直尾翼与水平尾翼在同位布局的情况下,尾翼之间会出现较强的干扰;在垂尾与平尾处于错位布置的情况下,气动性能达到最佳;后体自身(不算尾翼)阻力的大小与自身的收缩形状有很大的关系;在无尾翼的情况下,宽间距的双发模型的阻力总是大于窄间距模型的,但在阻力系数方面则不一定;在有尾翼的情况下,窄间距模型的尾翼本身的阻力会高于宽间距模型的尾翼阻力;宽间距的模型设计使得气流在整流体处流动更顺畅,有利于气流在到达喷管处的压力恢复,从而更有利于降低喷管的阻力。

       采用基于正交试验和响应面法的多目标试验优化设计方法,首先对不带尾翼的喷管-后体一体化气动性能进行优化,以流量系数与推力系数为主要评价指标,优化结果表明,扩张半角β、收敛半角α应为优化实验的重点影响因素。对单发带尾翼喷管-后体一体化气动性能进行优化,以推力减阻力系数为主要评价指标,优化结果表明,收敛半角α、扩张半角β应为本次优化实验的重点影响因素。对考虑间距和尾翼位置的双发轴对称喷管-后体一体化进行优化,以推力减阻力系数为主要评价指标,优化结果表明,喷管间距s、平尾位置Xh应为本次优化实验的重点影响因素。

       以HITEMP2010数据库为基础,基于k分布概念及关联k假设,通过MS和MG方法得到了MSMGFSK模型并针对其压力依赖问题改进了分组方法,使之适用于求解大温度、压力梯度及大浓度梯度的混合气体辐射传输问题,形成了多种换热方式耦合的数值模拟方法。通过流场、固体温度场、气体组分浓度场、辐射传输/能量场耦合数值模拟,对常规喷管-后体与浮动引射喷管-后体在不同飞行高度及不同飞行马赫数时的气动性能及热防护特性进行了研究比较。由结果可知,同时考虑气体与固体辐射时计算得出的固壁温度要高于只考虑固体辐射时的固壁温度;随着飞行高度的增加,固体辐射在总换热中的比例逐渐增大,气体辐射对总换热的贡献减小;当仅考虑气动参数而不考虑传热时,气体辐射的计算可以考虑省略,但固体辐射的计算则不可忽略。