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可重复使用航天器高温化学非平衡流场流动特性和物理特性的研究

专 业: 流体力学
关键词: 可重复使用飞行器 化学非平衡 壁面热流 壁面辐射防热
分类号: V411  O35
形 态: 共 105 页 约 68,775 个字 约 3.29 M内容
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内容摘要


在可重复使用飞行器的再入过程中,波后气体非平衡状态强烈影响飞行器的气动力、气动热及流场的光电特性。

该文针对可重复使用飞行器再入流场,在全流域范围内,通过数值模拟的方法研究了三维化学非平衡流场的流动特性和物理特性,讨论了来流参数及物形几何参数和壁面催化条件对流场内高温化学非平衡流场参数和壁面热流的影响,同时探讨了化学非平衡流动和采用辐射防热法的数值模拟方法。

化学反应源项的刚性问题给三维化学非平衡计算带来了困难,该文根据源项线性化方法的基本原理,讨论了三维化学非平衡流动计算的源项线性化的构造方法,在计算中同时采用了两种线性化方法,一种为根据流场内化学反应物理规律构造的线性化方法,具有提高计算稳定性,抑制在计算过程中组元密度出现负值现象的作用,加速了收敛速度。

同时采用了时间预处理矩阵的线性化方法,较好的解决了非平衡化学反应与流场耦合的刚性问题,数值实验验证了该文所采用方法的有效性。

为分析高温化学非平衡流场的物理特性和流动特性,该文采用隐式NND格式有限体积法结合源项线性化处理方法,对三维高超声速非平衡流场进行了数值模拟,通过与国外实验及可靠的计算文献的比较,验证了计算程序对非平衡再入过程热流计算的准确性。

计算了可重复使用飞行器X-33轨道点上无化学反应完全气体流场与有化学反应流场。

通过分析比较了化学非平衡效应对三维流场的物理特性和流动特性和影响。

同时,研究并分析了网格对热流计算的影响,提出两种判断方法综合考虑确定计算网络的方法,以解决计算效率与计算精度之间的矛盾。

以NASA X-33航天运载器及AOTV航天器两种高低不同的再入轨道为背景,在全流域范围内对再入流场进行了系统的数值研究。

为了有效的利用非平衡化学反应的降低非催化壁热流的作用,提出采用非催化壁热流与完全催化壁热流的比值来分析流场内的化学非平衡流动参数的方法,并讨论了来流参数和物形参数对流场内化学反应非平衡非催化壁降低热流作用的影响壁面辐射防热是可重复使用航天器TPS设计的关键,通过对物面能量交换方式讨论,求解了壁面能量方程,成功地得到了不同辐射系数TPS材料在壁面辐射防热法下的壁面温度的分布以及材料辐射性质对壁面温度的影响……

全文目录


文摘
英文文摘
第一章 引言
1.1高超声速非平衡流动的研究背景及研究意义
1.2高超声速化学非平衡流动研究方法的国内外发展现状
第二章 控制方程及数值计算方法
2.1控制方程
2.1.1控制方程
2.1.2物理模型
2.2计算格式
2.2.1数值计算格式
2.2.2积分法求粘性项
2.2.3近壁面的剪切力修正
2.2.4三维隐式有限体积格式
2.2.5边界的处理方法
第三章 计算程序的验证
3.1氮气实验结果比较
3.2风洞条件计算比较
3.3飞行条件计算比较
3.4与完全气体流场对比
3.5本章小节
第四章 三维化学非平衡流场的数值模拟
4.1网格对热流计算精度的影响
4.2源项线性化方法
4.2.1源项线性化原理
4.2.2源项线性化方法
4.2.3两种线性化方法的比较
4.2.4源项线性化方法在三维计算中推广
4.2.5计算算例和比较
第五章 化学非平衡流场性质的分析
5.1引言
5.2壁面催化性质的影响
5.3流动领域及其计算方法的讨论
5.3.1流动领域的划分
5.3.2滑移流动区气动特性计算途径讨论
5.4攻角的影响
5.5气动布局参数的影响
5.5.1头半径的影响
5.5.2半锥角的影响
5.6来流速度的影响
第六章 辐射防热的数值模拟
6.1计算模型
6.2讨论与分析
第七章 总结
7.1全文总结
7.2今后的工作展望
参考文献
附录一、空气成分
附录二、化学非平衡拟合参数
附录三雅可比矩阵及其左右特征矩阵

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中图分类: > V411 > 航空、航天 > 航天(宇宙航行) > 基础理论及试验 > 空气动力学
其他分类: > O35 > 数理科学和化学 > 力学 > 流体力学

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