高超聲速鈍錐脈沖擾動(dòng)流場及防護(hù)系統(tǒng)熱響應(yīng)分析.pdf

1、高超聲速飛行器在軌飛行過程中，往往會受到各種無法預(yù)知的擾動(dòng)，擾動(dòng)的存在對流場流動(dòng)情況、飛行器的氣動(dòng)熱力學(xué)特性及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有著顯著影響，且擾動(dòng)的多樣性和不確定性給飛行器的設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。來流擾動(dòng)進(jìn)入高超聲速鈍錐繞流流場后，會與弓形激波和邊界層產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，使得邊界層的特征更為復(fù)雜，所以，高超聲速鈍錐擾動(dòng)流場的研究是十分必要的。同時(shí)，當(dāng)飛行器受到空間碎片的撞擊，在熱防護(hù)系統(tǒng)表面會出現(xiàn)一些結(jié)構(gòu)的損傷，這些微小的損傷可能會導(dǎo)致整個(gè)熱防護(hù)系統(tǒng)

2、的失效。本文基于直接數(shù)值模擬方法及有限元法研究了高超聲速脈沖擾動(dòng)流場及含有損傷的熱防護(hù)系統(tǒng)的熱響應(yīng)問題，主要的內(nèi)容如下：
　　1.介紹了高階精度的直接數(shù)值模擬方法，給出了其空間離散格式和時(shí)間離散格式。對于空間離散，N-S方程的無粘項(xiàng)通過通量矢量分裂方法分解成正通量項(xiàng)和負(fù)通量項(xiàng)，采用七階精度的加權(quán)本質(zhì)無振蕩算法進(jìn)行離散，粘性項(xiàng)采用六階精度的中心差分格式進(jìn)行離散；對于時(shí)間離散，采用顯式三階精度總變差減小的龍格-庫塔方法。并通過兩個(gè)經(jīng)典

3、的算例驗(yàn)證了方法的有效性。
　　2.采用高階精度的直接數(shù)值模擬方法研究了來流脈沖擾動(dòng)的高超聲速擾動(dòng)流場的基本特征，并分析了擾動(dòng)對壁面氣動(dòng)熱力學(xué)參數(shù)的影響，同時(shí)，基于傅里葉頻譜分析探討了邊界層擾動(dòng)模態(tài)的演化。結(jié)果表明，擾動(dòng)對流場的影響可以分為擾動(dòng)當(dāng)前效應(yīng)和擾動(dòng)后效應(yīng)，擾動(dòng)當(dāng)前效應(yīng)影響效果大但作用時(shí)間短，而擾動(dòng)后效應(yīng)影響作用相對較小但持續(xù)時(shí)間長；擾動(dòng)與激波和邊界層相互作用強(qiáng)烈，激波發(fā)生明顯的變形，擾動(dòng)也被顯著地放大，且相互作用后在邊界

4、層內(nèi)外形成存在明顯分界的新擾動(dòng)波；擾動(dòng)對鈍錐頭部的影響明顯大于非頭部區(qū)域。
　　3.采用高階精度的直接數(shù)值模擬方法研究了不同壁面溫度條件的高超聲速定常流場及擾動(dòng)流場的基本特征，分析了壁面溫度對高超聲速定常流場及擾動(dòng)流場的影響，并基于傅里葉頻譜分析研究了邊界層擾動(dòng)模態(tài)的壁溫效應(yīng)，分析了壁面溫度對邊界層內(nèi)擾動(dòng)模態(tài)的影響。結(jié)果表明，壁面溫度越高，邊界層厚度越大，隨著流動(dòng)向下游推進(jìn)，鈍錐的邊界層會顯著增大；壁面溫度主要影響邊界層內(nèi)的流場，

5、其他區(qū)域影響很??；壁面溫度對邊界層內(nèi)擾動(dòng)波模態(tài)的發(fā)展有著顯著地影響，對流場穩(wěn)定性起著重要作用。
　　4.基于有限元方法，研究了脈沖擾動(dòng)過程中鈍錐體的熱響應(yīng)及壓力響應(yīng)特征，分析了鈍錐體力學(xué)特性的變化規(guī)律，探討了來流擾動(dòng)波幅值對鈍錐體壓力響應(yīng)的影響，并對鈍錐體熱響應(yīng)及壓力響應(yīng)的力學(xué)特性進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，在擾動(dòng)流場產(chǎn)生的壓力載荷作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大及應(yīng)變較小的區(qū)域始終出現(xiàn)在鈍錐的駐點(diǎn)及靠近鈍頭前緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的中心區(qū)域；隨著擾動(dòng)波幅值

6、的增加，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力逐漸增大；隨著擾動(dòng)向下游傳播，溫度載荷應(yīng)力場逐漸向下游擴(kuò)大；比較擾動(dòng)流場產(chǎn)生的壓力載荷，溫度載荷對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布影響更為顯著。
　　5.基于ABAQUS有限元軟件，對含有損傷的陶瓷隔熱瓦熱防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了熱力耦合分析，考慮損傷區(qū)域熱流密度的變化，研究了含有損傷的陶瓷瓦防護(hù)系統(tǒng)的熱力學(xué)響應(yīng)機(jī)制。并探討了不同的損傷尺寸和損傷位置對陶瓷瓦熱防護(hù)系統(tǒng)熱力學(xué)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，損傷的存在顯著地增加了熱防護(hù)結(jié)構(gòu)的最大溫度和最