高超聲速飛行器關(guān)鍵部件的多物理場(chǎng)耦合研究.pdf

1、吸氣式高超聲速飛行器在飛行時(shí)所經(jīng)歷的氣動(dòng)環(huán)境非常復(fù)雜，流-固-熱多物理場(chǎng)耦合現(xiàn)象突出，因此，針對(duì)其典型部件開(kāi)展多物理場(chǎng)耦合研究對(duì)飛行器的設(shè)計(jì)與控制具有重要意義。本文采用基于CFD/CSD(Computational Fluid Dynamics/Computational Solid Dynamics)的多物理場(chǎng)耦合方法，將流場(chǎng)求解器FLUENT與結(jié)構(gòu)/熱求解器ABAQUS耦合起來(lái)，通過(guò)耦合接口軟件MpCCI(Mesh-based pa

2、rallel Code Coupling Interface)實(shí)現(xiàn)物理場(chǎng)間數(shù)據(jù)的交換與耦合流程的控制，并選取三個(gè)高超聲速飛行器關(guān)鍵部件，依次對(duì)其開(kāi)展相應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合分析。
　　首先，依次選取超聲速壁板顫振問(wèn)題與Ma6.47圓柱繞流問(wèn)題為校核對(duì)象，通過(guò)與理論分析結(jié)果、具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了基于MpCCI的CFD/CSD方法在超/高超聲速條件下流固、氣熱耦合計(jì)算的準(zhǔn)確性。
　　然后，開(kāi)展了針對(duì)單邊膨脹噴管移動(dòng)板結(jié)構(gòu)的流固

3、耦合研究，重點(diǎn)關(guān)注不同板長(zhǎng)（150，180mm）與板厚（5，7mm）下流固耦合效應(yīng)對(duì)噴管氣動(dòng)性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明：板厚相同時(shí)（5mm），較短移動(dòng)板的氣動(dòng)性能較差，但動(dòng)態(tài)性能較好：升力減小9.9％，而響應(yīng)時(shí)間縮短44.7%；當(dāng)移動(dòng)板長(zhǎng)度相同時(shí)（180mm），較厚的板同時(shí)擁有好的氣動(dòng)與動(dòng)態(tài)性能：穩(wěn)態(tài)升力提高0.98%，冷熱態(tài)俯仰力矩差減小10.5%，且響應(yīng)時(shí)間減小40.4%。
　　其次，開(kāi)展了針對(duì)TBCC排氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)級(jí)板的流固耦合研

4、究，計(jì)算結(jié)果表明：在渦輪側(cè)高壓的作用下，轉(zhuǎn)級(jí)板向下振動(dòng)且最大振幅達(dá)到3.58mm，占轉(zhuǎn)級(jí)板總長(zhǎng)的0.89%。但在阻尼的耗能作用下，轉(zhuǎn)級(jí)板的振幅不斷減小并最終達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定后轉(zhuǎn)級(jí)板Tip點(diǎn)向下位移1.88mm。轉(zhuǎn)級(jí)板的振動(dòng)同時(shí)引起了TBCC排氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能的變化，達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后，推力、升力、俯仰力矩值分別增加0.68%、2.82%、5.86%。此外，還詳細(xì)討論了耦合過(guò)程中流場(chǎng)的演化過(guò)程，分析了轉(zhuǎn)級(jí)板的流固耦合作用機(jī)理，并指出了

5、排氣系統(tǒng)氣動(dòng)性能變化的原因。
　　最后，開(kāi)展了針對(duì)支桿-鈍體結(jié)構(gòu)的氣熱耦合研究，比較了不同支桿長(zhǎng)度下（L/D=1、1.5、2、2.5）鈍體表面的溫度分布以及熱流向結(jié)構(gòu)內(nèi)的動(dòng)態(tài)傳播規(guī)律，分析了壁溫的升高對(duì)外流場(chǎng)以及鈍體阻力系數(shù)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：較長(zhǎng)的支桿擁有更好的熱防護(hù)性能，即鈍體表面最高溫度較低，同時(shí)鈍體表面以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度升高也較為緩慢。此外，隨著耦合過(guò)程的進(jìn)行，逐漸升高的壁溫使得近壁面附面層流動(dòng)發(fā)生變化，進(jìn)而引起鈍體結(jié)構(gòu)