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当前,以研制高超声速巡航飞行器为标志的空天技术革新将空天竞争推向一个新高度。高超声速流动表现为高速、高温和高粘性;而且高超声速巡航飞行器的飞行空间涵盖从连续流到自由分子流的全部流动领域,流动物理十分复杂。因此,了解在全流域状态下,流动可压缩、粘性、稀薄气体及非平衡等多物理耦合效应对高超声速飞行器气动特性的影响是新一轮空天竞争中胜出的基础。
本文选择平板绕流这一经典流体力学问题,希望以简单的几何模型为载体,全面分析高超声速情况下粘性效应、可压缩效应、稀薄气体和非平衡效应,以及它们之间的耦合对平板绕流流动图像以及表面气动特性的影响。本文采用基于分子动理论的DSMC方法和基于连续介质的CFD方法,对高超声速平板绕流开展了全流域条件下的数值模拟。以大量可靠的数值结果为基础,对平板气动特性进行了深入的分析与探究。本文的工作主要有以下几个方面:
1.采用DSMC方法和CFD方法,对高超声速平板绕流开展了精细的数值模拟。在DSMC模拟方面,我们挑战到Kn=2.5×10-4的连续流;而在CFD的模拟中,我们保证了要获得准确摩阻热流计算的严苛网格独立性要求(Rec,w<5,边界层内均匀网格)。
2.比较DSMC与CFD的流场结果,研究了连续介质模型的适用情况。对于Kn≤O(1×10-3)的高超声速平板绕流,流动整体属于连续流,强烈非平衡现象仅出现在局部区域,CFD方法可以给出整体上合理的流动图像。当Kn≥O(1×10-2)后,CFD方法已不能给出让人满意的数值模拟结果。非平衡流动一个显著特征是气体温度各向异性。我们采用气体三个方向的平动温度差作为非平衡效应强度判定准则,并用以评估常用的连续介质模型失效判据优劣。
3.比较DSMC与CFD结果给出的表面气动量,研究稀薄气体及非平衡效应对平板气动特性的影响。两种方法结果的对比显示,稀薄气体效应起到的是一个“削弱与缓和”作用,它使平板表面的气动力(压力和摩阻)以及热流值均减小。此外,受非平衡效应的影响,平板表面压力表现为各向异性,直接作用于平板表面的压力不等于热力学压力这个传统意义上的压力。
4.在大量可靠数值结果的基础上,拟合了高超声速平板摩疆的连续流结果,并为自由分子流理论解添加修正小量以拓展其在近自由分予流端的适用范围。将高超声速平板摩阻的连续流解和拓展后的自由分子流计算式加以组合,构造出形式简洁又足够精确的全流域平板摩阻桥函数公式。
5.采用DSMC方法模拟研究了平板表面温度变化对高超声速平板绕流的影响。壁温变化引起粘性效应和稀薄气体效应作用强度的改变,它们之间的竞争对平板表面气动力、热的变化趋势有着决定性的影响。