芯級與助推器之間激波邊界層干擾氣動熱數(shù)值計(jì)算.pdf

1、激波與邊界層干擾是高速飛行中最為常見的現(xiàn)象之一，物面上的邊界層常常因?yàn)榧げㄒ氲木薮髩毫μ荻榷a(chǎn)生分離。當(dāng)邊界層分離發(fā)生在捆綁火箭芯級表面時，芯級表面局部的壓力和熱流密度會增大并出現(xiàn)峰值。隨著幾次捆綁火箭發(fā)射任務(wù)中前連桿整流罩損毀、遙測數(shù)據(jù)丟失等意外情況的發(fā)生，芯級與助推器之間的激波邊界層干擾問題逐漸受到人們的重視。激波與邊界層干擾的研究，特別是干擾區(qū)位置以及氣動熱峰值的計(jì)算對于捆綁火箭的熱防護(hù)設(shè)計(jì)有著十分重要的實(shí)際應(yīng)用價值,對我國航空

2、航天事業(yè)高速飛行器的發(fā)展也有著重要的意義。
　　本文利用數(shù)值計(jì)算方法分別對激波與層流和湍流兩種邊界層的干擾流場進(jìn)行了模擬，兩種情況中都采用了高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分方法，其中湍流計(jì)算中采用了湍流模型結(jié)合壁面函數(shù)的方法分別計(jì)算高、低雷諾數(shù)的流動。利用驗(yàn)證后的數(shù)值計(jì)算方法研究了壁面溫度、來流馬赫數(shù)以及幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對于激波與層流邊界層干擾特性的影響。同時，利用數(shù)值方法計(jì)算了某型號捆綁火箭芯級表面的激波邊界層干擾下的氣動熱，并結(jié)合數(shù)據(jù)相關(guān)法建立了

3、激波與邊界層干擾氣動熱的工程計(jì)算公式。
　　計(jì)算結(jié)果顯示本文使用的方法可以準(zhǔn)確地捕捉到邊界層的分離和再附著等現(xiàn)象，層流和湍流條件下的干擾區(qū)峰值氣動熱與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差分別為1.5％和4.4%。根據(jù)壁面溫度、來流馬赫數(shù)以及幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)對干擾特性影響的研究，可以得出以下主要結(jié)論：當(dāng)芯級壁面溫度低于來流恢復(fù)溫度時，隨著壁面溫度的升高，激波邊界層干擾對上游的影響區(qū)域增大，邊界層分離點(diǎn)的位置向下游移動，芯級表面干擾區(qū)最大熱流出現(xiàn)線性減?。浑S著馬

4、赫數(shù)的增大，分離泡的大小逐漸減小，芯級表面干擾區(qū)氣動熱迅速增大，并且最大換熱系數(shù)和最大壓力與分離前的比值之間的關(guān)系滿足一定的指數(shù)關(guān)系式；錐形頭部產(chǎn)生的激波對芯級表面的壓力和氣動熱的影響都要比球頭模型小，干擾區(qū)的位置隨著芯級與助推器之間的間隙增大而向下游移動，干擾區(qū)最大熱流先是不斷減小，后趨于穩(wěn)定。
　　捆綁火箭芯級表面干擾區(qū)氣動熱在動力上升階段經(jīng)歷了先增大后減小的過程，氣動熱最大值點(diǎn)出現(xiàn)在30~40k m之間，本文提出的工程算法計(jì)