高速底部气动热环境的工程与数值混合算法研究

批准号:
11302016
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
袁军娅
依托单位:
学科分类:
A0903.空气动力学
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐大军、曾鹏、司余
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中文摘要
高速底部流动含有膨胀波、自由剪切层、分离涡、激波等复杂现象,气动热环境精确计算是具有挑战和丞待解决的技术难题。飞行器底部热环境相对身部低很多,一直以来未得到重视,理论研究远远落后于实践。随着机动飞行器的发展及深空探测飞行器有效载荷的需求,对飞行器底部热防护结构质量限制越来越高,飞行器尾部热环境裕度设计已经不能满足工程设计需要,急需改进计算方法。近年来兴起的RANS/LES混合算法在底部流场计算方面已经取得了突破性的进展,本项研究将围绕底部流动加热机理和计算方法,研究影响尾部复杂流动热环境计算的主要因素,将RANS/LES混合算法扩展至尾部热环境计算,发展RANS/LES混合算法,以适应尾部热环境计算的需求,同时建立数值与工程相结合的新方法,为解决尾部热环境问题开辟新的途径,研究结论将有助于对高速底部热环境的理解。
英文摘要
Accurate computation of high speed base flow aerothermal environment is a challenge problem, because expansion Fan, free shear layer, retachment shock, seperation bublle are included in base flow. Theories and methods in base flow is lag practice because of low heat transfer and not attached importance to it by researchers. By the development of maneuver vehicles and capsuls,the safe design of base aerothermal environment can't satisfy the engineering design because the room and weight is limited. RANS/LES hybrid method developed rencent year made it is possible to resolve the aerothermal environment of base flow. This research will study the heating mechanism , computation methods and the main effects. RANS/LES hybrid method is developed to compute aerothermal environment in base flow. and a new method which combine the numerical and engineer method will be established. The reserch will find new approach to solve aerothermal environment of base flow and will promote the understanding of aerothermal environment in base flow.
高速底部流动在弹丸、导弹、再入探测等飞行器的流场中经常出现,因为其存在分离、激波和膨胀波等复杂流动结构,理论研究滞后于应用和实验研究,目前尚没有一种能够完全准确预测这种流动机理的方法。对于超声速湍流底部热环境预测,工程设计中常采用源自风洞和飞行试验的半经验公式,并应用裕度设计的方法,计算不确定性很大,随着机动飞行器的发展及有效载荷的需求,飞行器底部空间和质量愈来愈紧张,这种裕度设计的方法急需改进。因此,需要细致研究底部流动特征,寻找更合适的超声速飞行器底部热流的计算方法。.本项研究开展了工程与数值相混合预测底部热流的计算方法。首先,研究了新型分离涡模型(DES, Detached Eddy Simulation)方法在超声速底部热流计算中的应用情况,分别采用数值方法计算了球锥模型、圆柱模型和大钝头体再入飞行器模型,结合文献中的实验数据,研究了不同数值计算模型的计算效果和影响因素,对底部热流模型的情况进行总结,确定了适合超声速底部热流数值计算方法。另外,还通过计算不同来流工况和几何外形参数的球锥模型,分析各个参数对底部流场的影响,为建立底部热流工程计算方法提供了数据支持。第二,研究了计算底部热流的各种半经验工程方法,通过仿真算例结果与实验数据对各个关系式的应用做出了评价。另外,通过数值模拟的计算结果修正了在高雷诺数下球锥模型底部热流关联式。第三,研究了基于压力比的工程热流关联式方法与数值仿真方法相结合预测底部热流的混合方法,并对这种工程与数值混合计算方法的计算过程做出概括,分析了计算效果。.本项研究表明,在计算网格和计算参数设置合理的条件下,采用DES方法能够获得令人满意的超音速底部热流结果,而采用工程与数值混合计算方法是超声速底部热流预测的一种有效途径,在满足计算精度要求下,可以明显降低计算耗时。
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