题目：含有多种耦合传热方式的排气系统内外流场数值研究

本文开展了对飞行器排气系统内外流场、固壁温度场、燃气组分浓度场、气体辐射传输/能量场的耦合数值模拟研究，以求准确预测其气动热力及红外特性。发展了一套耦合求解三维流场Navier-Stokes方程、固体热传导方程、气体组分输运方程、基于有限体积法和统计窄带关联k模型气体辐射传输/能量方程的CFD程序。该程序具有相当好的通用性，可对任何分区结构网格离散的可压缩流体流场进行相关计算。对流通量采用改进的Roe格式进行求解，湍流模型可选择基于Reynolds平均的S-A一方程模型、标准 两方程模型、改进的RNG 两方程模型及两种壁面函数。该程序应用了多种先进的数值方法以提高计算效率和稳定性，包括多重网格加速的LUSGS隐式时间推进算法求解流场N-S方程，BI-CGSTAB算法求解固体热传导方程和辐射传输方程；在实践中摸索创新的算法还有，基于Harten通量修正显式二阶TVD格式求解两方程湍流模型输运方程以克服其刚性，基于BADI算法的预处理用于克服BI-CGSTAB算法求解与流场耦合的固体温度场时遇到的病态矩阵，基于镜面反射原理处理商用CFD软件求解辐射传输方程时无法采用的对称面边界条件。通过一系列由简单到复杂的算例验证，以及与其他不同计算方法的比较，表明所发展的程序包对比以FLUENT为代表的商用CFD软件，计算效率提高3-4倍、计算资源占用减少65-75%，同时具有较高的计算可靠性及处理复杂问题的灵活性。为验证程序计算流场的准确性，对轴对称收扩喷管、带圆转方过渡段的小宽高比二元收扩喷管、轴对称矢量喷管跨/超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对比，分析了不同湍流模型及其壁面函数各自的适用场合；分析了计算矢量喷管内流场压力出口边界条件失效的原因，同时得出结论，即使在地面状态下，也必须对矢量喷管进行内外流场模拟才能够得到其正确的内流参数。采用在接触边界传递温度和换热系数的方法，解决了传统流热耦合算法计算稳定性差的问题。对超音速翼型和钝锥的气动加热问题进行了流热耦合数值模拟，计算结果与试验数据对比验证了程序的计算精度。将近年提出的一种全新的流热耦合算法——流热一体化计算——从理论验证上升到实际工程应用。火箭发动机水冷喷管与引射喷管壁温分布计算表明，边界耦合与一体化计算得到的结果完全一致且都与试验数据吻合良好。为准确模拟气体红外辐射传输/换热特性，本文以HITEMP逐线计算数据库提供的标准状态下气体吸收/发射谱线参数为基础，根据气体原子/分子能级与辐射跃迁理论、谱线轮廓与增宽理论、Young的统计理论建立了水蒸气、二氧化碳不同温度下的统计窄带辐射模型参数数据库。运用关联k模型和有限体积法离散气体辐射传输/能量方程，LUSGS预处理的BI-CGSTAB算法对其求解。通过圆柱炉膛炉壁辐射换热特性计算，CO2 4.3微米波段吸收率计算两个算例验证数据库参数及上述辐射传输/能量方程离散、求解算法的正确性。以此为基础，对不同宽高比二元喷管、轴对称收扩喷管/引射喷管、V形尾缘引射喷管、AL-31F发动机收扩喷管的气动热力及红外特性进行了流场、固壁温度场、燃气组分浓度场、气体辐射/传输能量场的耦合数值模拟。分析指出V形尾缘对排气系统喷流红外辐射信号的降低源自其对喷流边界层的增厚，而不是对喷流核心区长度的缩减。对某型涡扇发动机浮动外调节片引射喷管的气动热力特性进行流场、固壁温度场、燃气组分浓度场、辐射传输/能量场耦合计算。采用改进的两分法确定其浮动外调节片的位置；分析了引射通道内气流对主喷管第二调节片的冷却机理；优化了引射通道进气方案和第一调节片隔热屏的设计。计算结果显示，只考虑固体辐射与同时考虑气体固体辐射计算出的喷管壁温分布差异最高可达150K。这表明上述耦合计算在排气系统热设计/防护领域具有巨大应用价值。