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高超声速飞行器前缘流固耦合计算方法研究

聂涛 刘伟强

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高超声速飞行器前缘流固耦合计算方法研究

聂涛, 刘伟强

Study of coupled fluid and solid for a hypersonic lending edge

Nie Tao, Liu Wei-Qiang
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  • 对高超声速流场和结构温度场进行了耦合计算分析, 同时基于准静态假设对结构应力进行了分析. 流场部分采用基于非定常Navier-Stokes (N-S)方程的有限体积法, 湍流模型采用SST k-ω 模型, 固体部分采用基于非稳态热传导方程的有限元法, 同时基于准静态假设对固体结构的应力应变进行了分析. 在流固交界面处, 高速流体从固体结构得到温度边界条件, 固体结构从高速流体得到热流边界条件, 从而实现了流场和固体温度场的紧耦合计算.通过与超声速无限长圆管绕流试验结果进行对比, 验证了该方法的可靠性. 同时对二维圆管结构在气动加热过程中的温度、应力等的变化进行了比较详细的分析. 研究结果表明: 随着气动加热时间的推进, 由于圆管结构的高温区在不断扩大, 导致了结构的热变形在不断地增大; 圆管最小变形区出现在θ为60°处; 同时研究发现在计算时间内圆管热变形对外部流场的影响可以忽略不计.
    Coupled simulation of hypersonic flow and heat exchange is investigated. Moreover, structural stress based on pseudo static assumption is also studied. The unsteady Navier-Stokes equations are solved for the flow field, and SST k-ω model is used as the turbulent model. The unsteady heat conduction equation is solved for the structure. At the fluid-structure interface the flow field acquires temperature boundary condition from the structure and the structure temperature field obtains heat flux boundary condition from flow field. The method proposed here is proved by the slipstream experiment of the infinite circular pipe. The transformation of the temperature and stress of the two-dimensional circular pipe is analyzed in detail during aerodynamic heating. The results show that the high temperature field is gradually enlarged with the increase of aerodynamic heating time. At the same time the structural thermal strain is also gradually enhanced. The minimal deformed area will appear when θ is equal to 60°. The thermal deformation of circular pipe has very little effect on the flow field.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 90916018)和高等学校博士学科点专项科研基金(批准号: 200899980006)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 90916018), and the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (Grant No. 200899980006).
    [1]

    Yan C, Yu J J, Li J Z 2006 Acta Aero. Sin. 24 125 (in Chinese) [阎超, 禹建军, 李君哲 2006 空气动力学学报 24 125]

    [2]

    Li P F, Wu S P 2010 J. Aero. Power 25 1705 (in Chinese) [李鹏飞, 吴颂平 2010 航空动力学报 25 1705]

    [3]

    Pramote D, Earl A T, Allan R W 1988 AIAA 1988-2245

    [4]

    Allan R W, Michael S H 1987 AIAA 1987-1511

    [5]

    Xia G, Liu X J, Cheng W K, Qin Z Z 2003 J. National Univ. Defense Tec. 25 35 (in Chinese) [夏刚, 刘新建, 程文科, 秦子增 2003 国防科技大学学报 25 35]

    [6]

    Feng Y P, Cui J Z, Deng M X 2009 Acta Phys. Sin. 58 327 (in Chinese) [冯永平, 崔俊芝, 邓明香 2009 58 327]

    [7]

    Yao X H, Han Q 2008 Acta Phys. Sin. 57 5056 (in Chinese) [姚小虎, 韩强 2008 57 5056]

    [8]

    Zhou Y, Qian W Q, Deng Y Q, Ma M S 2010 Acta Aero. Sin. 28 213 (in Chinese) [周宇, 钱炜祺, 邓有奇, 马明生 2010 空气动力学报 28 213]

    [9]

    Menter F R 1993 AIAA 1993-2906

    [10]

    Peng Z Q, Zhang J F, Niu B, Mu D 2011 Mechanics Engineering 33 18 (in Chinese) [彭志琦, 张均峰, 牛斌, 穆丹 2011 力学与实践 33 18]

    [11]

    Li P F, Wu S P 2010 Missiles Space Vehicle 6 34 (in Chinese) [李鹏飞, 吴颂平 2010 导弹与航天运载技术 6 34]

    [12]

    Huang T, Mao G L, Jiang G Q, Zhou W J 2000 Acta Aero. Sin. 18 115 (in Chinese) [黄唐, 毛国良, 姜贵庆, 周伟江 2000 空气动力学报 18 115]

    [13]

    Giles M B 1997 Int. J. Numerical Methods Fluids 25 421

    [14]

    Ramon C, Houzeaux G 2006 Int. J. Numerical Methods Fluids 52 963

    [15]

    Allen R W 1987 NASA TM-100484

  • [1]

    Yan C, Yu J J, Li J Z 2006 Acta Aero. Sin. 24 125 (in Chinese) [阎超, 禹建军, 李君哲 2006 空气动力学学报 24 125]

    [2]

    Li P F, Wu S P 2010 J. Aero. Power 25 1705 (in Chinese) [李鹏飞, 吴颂平 2010 航空动力学报 25 1705]

    [3]

    Pramote D, Earl A T, Allan R W 1988 AIAA 1988-2245

    [4]

    Allan R W, Michael S H 1987 AIAA 1987-1511

    [5]

    Xia G, Liu X J, Cheng W K, Qin Z Z 2003 J. National Univ. Defense Tec. 25 35 (in Chinese) [夏刚, 刘新建, 程文科, 秦子增 2003 国防科技大学学报 25 35]

    [6]

    Feng Y P, Cui J Z, Deng M X 2009 Acta Phys. Sin. 58 327 (in Chinese) [冯永平, 崔俊芝, 邓明香 2009 58 327]

    [7]

    Yao X H, Han Q 2008 Acta Phys. Sin. 57 5056 (in Chinese) [姚小虎, 韩强 2008 57 5056]

    [8]

    Zhou Y, Qian W Q, Deng Y Q, Ma M S 2010 Acta Aero. Sin. 28 213 (in Chinese) [周宇, 钱炜祺, 邓有奇, 马明生 2010 空气动力学报 28 213]

    [9]

    Menter F R 1993 AIAA 1993-2906

    [10]

    Peng Z Q, Zhang J F, Niu B, Mu D 2011 Mechanics Engineering 33 18 (in Chinese) [彭志琦, 张均峰, 牛斌, 穆丹 2011 力学与实践 33 18]

    [11]

    Li P F, Wu S P 2010 Missiles Space Vehicle 6 34 (in Chinese) [李鹏飞, 吴颂平 2010 导弹与航天运载技术 6 34]

    [12]

    Huang T, Mao G L, Jiang G Q, Zhou W J 2000 Acta Aero. Sin. 18 115 (in Chinese) [黄唐, 毛国良, 姜贵庆, 周伟江 2000 空气动力学报 18 115]

    [13]

    Giles M B 1997 Int. J. Numerical Methods Fluids 25 421

    [14]

    Ramon C, Houzeaux G 2006 Int. J. Numerical Methods Fluids 52 963

    [15]

    Allen R W 1987 NASA TM-100484

  • [1] 于博文, 何孝天, 徐进良. 超临界CO2池式传热流固耦合传热特性数值模拟.  , 2024, 73(10): 104401. doi: 10.7498/aps.73.20231953
    [2] 张震, 易仕和, 刘小林, 陈世康, 张臻. 高超声速条件下凸曲率壁面混合层的流动演化.  , 2024, 73(10): 104701. doi: 10.7498/aps.73.20240128
    [3] 刘勇, 涂国华, 向星皓, 李晓虎, 郭启龙, 万兵兵. 横向矩形微槽抑制高超声速第二模态扰动波的参数化研究.  , 2022, 71(19): 194701. doi: 10.7498/aps.71.20220851
    [4] 马平, 韩一平, 张宁, 田得阳, 石安华, 宋强. 高超声速类HTV2模型全目标电磁散射特性实验研究.  , 2022, 71(8): 084101. doi: 10.7498/aps.71.20211901
    [5] 牛越, 包为民, 李小平, 刘彦明, 刘东林. 大功率热平衡感应耦合等离子体数值模拟及实验研究.  , 2021, 70(9): 095204. doi: 10.7498/aps.70.20201610
    [6] 郑文鹏, 易仕和, 牛海波, 霍俊杰. 高超声速4∶1椭圆锥横流不稳定性实验研究.  , 2021, 70(24): 244702. doi: 10.7498/aps.70.20210807
    [7] 丁明松, 傅杨奥骁, 高铁锁, 董维中, 江涛, 刘庆宗. 高超声速磁流体力学控制霍尔效应影响.  , 2020, 69(21): 214703. doi: 10.7498/aps.69.20200630
    [8] 喻明浩. 非平衡感应耦合等离子体流场与电磁场作用机理的数值模拟.  , 2019, 68(18): 185202. doi: 10.7498/aps.68.20190865
    [9] 丁明松, 江涛, 董维中, 高铁锁, 刘庆宗, 傅杨奥骁. 热化学模型对高超声速磁流体控制数值模拟影响分析.  , 2019, 68(17): 174702. doi: 10.7498/aps.68.20190378
    [10] 刘亚琴, 杨士莪, 张海刚, 王笑寒. 变声速弹性沉积层下压缩波与剪切波的耦合影响.  , 2018, 67(23): 234303. doi: 10.7498/aps.67.20181600
    [11] 高新强, 沈俊, 和晓楠, 唐成春, 戴巍, 李珂, 公茂琼, 吴剑峰. 耦合高压斯特林制冷效应的复合磁制冷循环的数值模拟.  , 2015, 64(21): 210201. doi: 10.7498/aps.64.210201
    [12] 徐肖肖, 吴杨杨, 刘朝, 王开正, 叶建. 水平螺旋管内超临界CO2冷却换热的数值模拟.  , 2015, 64(5): 054401. doi: 10.7498/aps.64.054401
    [13] 付佳, 易仕和, 王小虎, 张庆虎, 何霖. 高超声速平板边界层流动显示的试验研究.  , 2015, 64(1): 014704. doi: 10.7498/aps.64.014704
    [14] 王小虎, 易仕和, 付佳, 陆小革, 何霖. 二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究.  , 2015, 64(5): 054706. doi: 10.7498/aps.64.054706
    [15] 殷鹏飞, 张蓉, 熊江涛, 李京龙. 搅拌摩擦焊准稳态热力耦合过程数值模拟研究.  , 2013, 62(1): 018102. doi: 10.7498/aps.62.018102
    [16] 王新鑫, 樊丁, 黄健康, 黄勇. 双钨极耦合电弧数值模拟.  , 2013, 62(22): 228101. doi: 10.7498/aps.62.228101
    [17] 孙健, 刘伟强. 高超声速飞行器热管冷却前缘结构一体化建模分析.  , 2013, 62(7): 074401. doi: 10.7498/aps.62.074401
    [18] 孙健, 刘伟强. 内嵌定向高导热层疏导式结构热防护机理分析.  , 2012, 61(12): 124401. doi: 10.7498/aps.61.124401
    [19] 陆海波, 刘伟强. 迎风凹腔与逆向喷流组合热防护系统冷却效果研究.  , 2012, 61(6): 064703. doi: 10.7498/aps.61.064703
    [20] 王晓南, 邸洪双, 梁冰洁, 夏小明. 热连轧粗轧调宽轧制过程边角部金属流动三维数值模拟.  , 2009, 58(13): 84-S88. doi: 10.7498/aps.58.84
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-12-01
  • 修回日期:  2012-02-23
  • 刊出日期:  2012-09-05

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