IMECH-IR  > 高温气体动力学国家重点实验室
高温气体效应对高超声速气动力的影响规律
Alternative TitleHigh Temperature Gas Effects on Hypersonic Aerodynamic Forces
李康
Thesis Advisor姜宗林 ; 胡宗民
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline流体力学
Abstract气动力特性预测是高超声速飞行器设计的必要环节。高超声速飞行器的发展历程表明,马赫数、高温气体效应和粘性干扰效应是在飞行器设计中必须考虑的关键因素。受地面风洞实验能力的限制,马赫数、雷诺数和高温气体效应难以同时模拟。早期的实验预测采用简化方法进行模拟研究,如采用低比热比气体来模拟高温气体效应、采用低总温条件来模拟马赫数的影响。近年来的研究表明,低比热比并不能反映典型局部流动的气动力变化规律,低总温来流条件来模拟马赫数的影响与真实飞行条件也存在明显的偏差,高温气体流动中粘性效应的影响机制未得到充分认识。所以简化模拟方法的有效性受到质疑,并严格限制了它的普适性。本文研究了简化模拟方法在典型流动中的局限性,并在实际高超声速流动条件下分析粘性效应与高温气体效应机制及其本质差别。论文的主要内容总结如下: 1.马赫数无关原理适用性的研究:把马赫数无关原理的应用由冻结流动拓展至化学反应流动时,该马赫数无关原理是否成立除依赖于气体比热比和激波形状外,还将依赖于能量的不均衡分布。研究结果揭示了能量不均衡性的影响机制,突显了气动力特性预测过程中采用低比热比气体模拟高温气体效应的不足。通过对比粘性效应和高温气体效应对马赫数无关原理适用性的影响规律,指出了马赫数无关原理的适用范围。基于气动力参数在无粘、粘性条件下的变化规律,对于马赫数无关原理的适用性,划分为更为实用的四个区域:马赫数影响区、马赫数无关区、高温气体效应影响区和极限流动区。 2.典型压缩-膨胀流动关键影响因素分析:采用球-柱钝头体绕流模型,研究对比了气体比热比、热非平衡效应和热化学非平衡效应对气动力特性影响。研究结果表明,气体比热比变化带来的气动力规律的变化与热非平衡效应和热化学非平衡效应的影响并不一致。本质上高温气体流动中的关键影响因素为气体比热比的不均衡分布,它与能量的不均衡性分布反映了相同的物理问题。由于气体比热比的不均衡分布受热化学反应影响,利用热化学反应的敏感性分析,提出了确定起主导作用的基元反应的方法。对于所研究的典型模型,轴向压力积分系数Cax更依赖于头部的压力分布,而法向压力积分系数Cay更依赖于身部的压力分布,这导致了Cax和Cay受不同的基元反应所主导。敏感性方法的提出有利于简化多因素耦合作用分析的难度,为高超声速气动力特性变化规律的探索提供了新的分析方法。 3.多次压缩和膨胀过程流动中高温气体效应的影响机制:对于球-锥模型来说,再压缩效应和高温气体效应的共同影响使得冻结流动和热化学非平衡流动中的气动力参数的差别先减小后增大。对于相反特征(膨胀和压缩)的流动,气动力系数的差别并不能完全反映高温气体效应的影响大小,仅能反映各个气动过程影响的综合。再压缩效应影响了起主导作用的基元反应以及基元反应进行的方向,使得流动的不均衡性发生改变,进而影响气动力规律的变化。对于HB-2模型来说,低比热比气体的采用仅能反映模型较为光滑区域的气动力特征,而不能反映具有曲率的外形以及各部分连结区域的压力分布,原因在于其无法反映出高温气体效应所引起的不均衡性效应。 4.高温气体效应和粘性干扰对HB-2模型气动力的影响机制:研究引入粘性效应和高温气体效应敏感性分析方法,对比了粘性效应和高温气体效应对压力系数影响差别较大的区域的流动特征,指出了粘性效应和高温气体效应影响机制的本质差别。粘性效应在模型表面曲率不为零处,通过改变流动的压缩/膨胀过程影响压力系数的分布。因此压力系数变化是局部的,影响也是局部的。而高温气体效应影响的是能量的重新分配,不仅影响模型表面曲率不为零处的压力系数变化规律,也改变了全局的压力系数。
Call Number31221
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55096
Collection高温气体动力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
李康. 高温气体效应对高超声速气动力的影响规律[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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