高超聲速飛行器多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題建模與分析研究.pdf

1、在近空間大氣層內(nèi)能夠進(jìn)行高超聲速遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)飛行的新一代吸氣式高超聲速飛行器具有極其重要的軍事戰(zhàn)略意義和廣泛的民用前景，是目前各航空航天大國(guó)的研究熱點(diǎn)。論文針對(duì)該類高超聲速飛行器在具有復(fù)雜流場(chǎng)、高焓、中低熱流和持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)加熱等特征的氣動(dòng)熱力學(xué)環(huán)境條件下所迫切需要解決的非燒蝕熱防護(hù)和熱氣動(dòng)彈性等關(guān)鍵問(wèn)題，重點(diǎn)開(kāi)展了高超聲速流場(chǎng)、熱和結(jié)構(gòu)等多物理場(chǎng)耦合基礎(chǔ)物理問(wèn)題的數(shù)值建模與分析研究。首先從物理本質(zhì)機(jī)理和系統(tǒng)工程角度全局性剖析了高超聲速流場(chǎng)

2、、熱和結(jié)構(gòu)等各物理場(chǎng)間復(fù)雜的耦合結(jié)構(gòu)關(guān)系，明確了多場(chǎng)耦合的層次關(guān)系和相關(guān)表征概念劃分；然后遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜、從局部到整體、循序漸進(jìn)的研究理念，按照“先流后固，逐級(jí)耦合”的思路開(kāi)展了以下幾個(gè)方面研究工作：
　　1）開(kāi)展了高超聲速氣動(dòng)熱力學(xué)耦合問(wèn)題的建模與分析研究。分別考慮量熱完全氣體模型和高溫化學(xué)非平衡氣體模型，研究和發(fā)展了一套具有較高的預(yù)測(cè)精度和可靠性的適用于三維復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題的高超聲速氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱的數(shù)值模擬方法。在方法研究基礎(chǔ)上

3、，集成研制了基于分區(qū)多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格系統(tǒng)的高超聲速氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱的數(shù)值模擬程序。選取大量具有詳細(xì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的典型算例進(jìn)行了較為系統(tǒng)的驗(yàn)證和評(píng)估研究。
　　2）開(kāi)展了高超聲速流場(chǎng)-熱耦合問(wèn)題的建模與分析研究。深入地分析了高超聲速流場(chǎng)-熱耦合問(wèn)題的耦合機(jī)理過(guò)程，構(gòu)建了其多場(chǎng)耦合模型的數(shù)學(xué)物理描述，并提出了有效的耦合分析策略。在耦合分析策略的框架下，發(fā)展了一種自適應(yīng)耦合計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)方法，提出了一種綜合考慮耦合變量物理特性和不同插值方法特點(diǎn)的

4、混合插值策略，通過(guò)集成高超聲速氣動(dòng)熱力學(xué)數(shù)值模擬程序和通用有限元熱傳導(dǎo)分析軟件，實(shí)現(xiàn)了高超聲速流場(chǎng)-熱耦合問(wèn)題的多場(chǎng)耦合一體化分析程序平臺(tái)。以典型結(jié)構(gòu)模型為應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了高超聲速流場(chǎng)-熱耦合問(wèn)題相關(guān)耦合特征和規(guī)律的分析研究。
　　3）開(kāi)展了高超聲速流場(chǎng)-熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題的建模與分析研究。深入地分析了高超聲速流場(chǎng)-熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題的耦合機(jī)理過(guò)程，構(gòu)建了其多場(chǎng)耦合模型的數(shù)學(xué)物理描述，并提出了有效的耦合分析策略。在高超聲速流場(chǎng)-熱耦合問(wèn)

5、題的多場(chǎng)耦合一體化分析方法基礎(chǔ)上，進(jìn)一步擴(kuò)展了混合插值策略的適用性，同時(shí)發(fā)展了一種快速的復(fù)雜外形網(wǎng)格變形方法，通過(guò)集成高超聲速氣動(dòng)熱力學(xué)數(shù)值模擬程序和通用有限元熱-結(jié)構(gòu)耦合分析軟件，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了高超聲速流場(chǎng)-熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題的多場(chǎng)耦合一體化分析程序平臺(tái)。以典型結(jié)構(gòu)模型為應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了高超聲速流場(chǎng)-熱-結(jié)構(gòu)耦合問(wèn)題相關(guān)耦合特征和規(guī)律的分析研究。
　　4）開(kāi)展了基于流場(chǎng)-熱-結(jié)構(gòu)耦合的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)問(wèn)題研究。通過(guò)分析熱效應(yīng)對(duì)固體結(jié)構(gòu)的固有

6、振動(dòng)特性的影響機(jī)理，進(jìn)一步研究和發(fā)展了基于多場(chǎng)耦合一體化的結(jié)構(gòu)熱模態(tài)問(wèn)題分析策略和方法。以典型高超聲速機(jī)翼結(jié)構(gòu)模型為應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了結(jié)構(gòu)熱模態(tài)特性的分析研究。
　　通過(guò)上述研究工作，本論文主要取得以下創(chuàng)新點(diǎn)：
　　1）針對(duì)高超聲速流場(chǎng)、熱和結(jié)構(gòu)等多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題開(kāi)展了機(jī)理研究，分層次地構(gòu)建了合理的多場(chǎng)耦合數(shù)理模型；
　　2）提出了有效的多場(chǎng)耦合分析策略，并綜合形成了一套具有工程適用性的高效的多場(chǎng)耦合一體化分析方法。這些成