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地球再入/外行星进入飞行器气动热环境数值模拟研究

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摘要

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1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 地面风洞试验的发展现状

1.2.2 数值算法、温度模型的研究进展

1.2.3 气动热相关研究的发展近况

1.3 论文主要工作

1.3.1 主要研究问题

1.3.2 研究思路

1.3.3 创新点

1.3.4 各分章主要工作

第二章 数学物理模型

2.1 基本守恒方程组

2.2 状态方程

2.3 热力学关系式

2.4 输运性质

2.4.1 组分黏性系数的温度拟合式

2.4.2 总粘性系数

2.4.3 总热导率

2.4.4 组分扩散系数模型

2.5 守恒方程组的源项模型

2.5.1 化学反应生成源项

2.5.2 振动能量方程源项

2.5.3 电子能量方程源项

2.6 化学反应与热力学非平衡过程耦合

2.7 小节

第三章 地球再入/外行星进入飞行器算例验证

3.1 ELECTRE标模飞行试验

3.2 圆球风洞试验分析

3.3 RAM C-Ⅱ飞行试验模拟

3.4 火星再入飞行器模型风洞试验

3.5 HET风洞MSL模型实验

3.6 小节

第四章 沿飞行走廊的地球再入/火星进入飞行器气动加热分析

4.1 FIREⅡ试验器地球再入算例

4.2 球头模型火星进入算例

4.3 小节

第五章 三维模型真实飞行状态模拟

5.1 Apollo飞船模型

5.2 HYPULSE风洞模型轴对称模拟

5.3 三维MSL飞行器流场模拟

5.4 小结

第六章 总结与展望

参考文献

附录

致谢

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摘要

随着我国航空航天事业的飞速发展,我国现已跻身世界航天强国之列,“载人登月”、“火星探索”等项目也已提上日程。外太空的探索过程中不可避免地要研究飞行器进入外行星大气以及返回地球大气等过程,而高超声速导致的高温高压流场环境严重影响其飞行安全。并且,高超声速流场复杂的热化学非平衡特性,使其在数值模拟计算方面具有一定的难度。
  本文主要采用数值模拟技术手段对高超声速条件下的流场进行模拟,并分析其气动热相关问题。该程序是在多组分、多温度守恒型方程组的基础上建立的,包括组分连续方程、动量方程、能量方程、振动能量方程和电子能量方程,其中振动能量方程和电子能量方程分别描述流场各组分总振动能量和总电子能量的输运过程;对流场热力学非平衡效应采用多温度模型,对应模化出平动-转动温度、振动温度和电子温度;对高温大气化学反应使用组分方程源项来描述。
  文中首先使用经典飞行试验和风洞实验算例对所用计算程序进行验证,包括ELECTRE标模飞行试验、圆球风洞试验、RAM C-Ⅱ飞行试验、火星再入飞行器模型风洞试验,以及MSL模型风洞试验,结果表明论文程序在针对热化学非平衡流场的计算中与现实情况相符,并且得出温度模型的选取对热流值和激波脱体距离的影响不大的结论。
  其次,本文选取两条典型飞行走廊,分别研究地球再入的FIREⅡ试验器和火星进入的球头模型在各自飞行走廊上的高速高温非平衡流场变化,结果表明,飞行器进入大气过程中,压力P与Ma呈负相关,平动,转动温度T和振动温度Tv与Ma呈正相关,高空稀薄大气的低密度特性会影响壁面热流密度的变化规律。并且,壁面催化条件对流场的P、T、Tv以及流场中各粒子的分布几乎没有影响,但对热流密度值影响较大,超催化壁面条件的热流值比完全非催化壁面条件下更高。
  最后使用已验证的计算程序对三维模型进行数值模拟,分别使用Apollo飞船模型、HYPULSE风洞模型以及MSL飞行器模型,并对其三维流场进行分析,结果表明:高超声速飞行器头部薄激波层内的热力学非平衡效应最为显著,其能量在平动-转动模态和振动-电子模态间发生交换;有攻角再入导致流场各参数在飞行器头部表面发生偏移,如压力场在钝头表面会呈偏心环分布,表面热流最大值分布于下肩部,驻点位置也发生转移;所有三维模型流场中气流绕过肩部后迅速膨胀,出现大尺度分离漩涡,后体分离区内大多数原子会重新复合,尾迹区内平动-转动温度和振动-电子温度差异非常明显。
  本文的研究内容具有一定的实际意义,可为未来深空探测工程的开展和实施提供一定的理论和技术基础。

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