壁面温度对几类典型高超声速飞行器热环境影响规律的研究

• 作 者: 刘亮
• 出 处: 西南科技大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 高超声速 压缩拐角 分离再附流动 壁面温度 带缝隙钝舵 热壁修正公式

随着高超声速飞行器的不断发展,其外形越发复杂、飞行马赫数不断提高、飞行时间越来越长,导致气动加热量不断加大,这对目前的热环境预测精度提出了更高的要求。而在长时间的飞行过程中,飞行器不同位置的气动加热不均匀,导致温度分布与初始壁面温度的区别进一步拉大,这就对未来的高超声速飞行器设计过程中如何考虑壁面温度对热环境的影响提出了新的要求。针对壁面温度高超声速飞行器热环境的影响这一问题,本文选用了球头、压缩拐角、带缝隙钝舵等典型结构,采用课题组自主研发的软件,基于有限体积法求解粘性可压缩Navier-Stokes方程,进行了数值模拟,得到了一些结论,包括以下几方面:壁面温度对球头的流场结构影响不大,壁面温度升高,近壁面的密度降低,粘性系数增大,球头上各处的热流逐渐降低,无量纲热流变化不大。热壁修正公式在球头上具有较好的修正效果,符合实际的应用需要。壁面温度升高,压缩拐角流场整体结构变化不大,但由于近壁面流体物性参数变化较大,导致拐角分离涡分离点向前移动、再附点向后移动,拐角处干扰区扩大;压缩拐角大部分区域的热流随着壁面温度的升高而减小,且干扰区内热流减小的幅度比无干扰区更大。另外,通过对比变壁面温度计算热流和热壁修正公式修正热流,发现热壁修正公式在干扰区存在精度降低、适用性不足的问题。壁面温度升高,环绕钝舵的分离涡整体结构变化不大,但其大小增大,改变了钝舵周围的分离流线和再附流线的位置和分布,钝舵干扰区扩大;同时,缝隙内部被逐渐“堵住”,横向分离再附减弱。钝舵大部分区域的热流随壁面温度的升高而减小,且缝隙内部和舵轴的热流减小幅度更大,但干扰区部分区域的热流会随壁面温度的升高而增大。此外,通过对比变壁面温度计算热流和热壁修正公式修正热流,发现热壁修正公式在环绕钝舵的干扰区的直接使用亦存在局部精度降低、适用性不足的问题。对钝舵进行耦合计算的结果表明,真实情况下舵轴局部位置处的热流低于传统计算方法所获热流,在气动热/传热计算中,双向耦合计算所得温度水平要较单向耦合低。本文的研究进一步加深了壁面温度对球头、压缩拐角、带缝隙钝舵等典型结构流动影响的认识,同时对于热壁修正公式在这些模型上的适用性具有参考意义。