高超声速复杂气动问题数值方法研究进展.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252015V01．36No．1159-175ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeducnhkxb@buaa．edu．cn1)0I：10．7527／S1000～6893．2014．0214高超声速复杂气动问题数值方法研究进展王江峰*，伍贻兆，季卫栋，樊孝峰，赵法明，吕侦军南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：高超声速流场具有复杂流动特征，其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子

2、动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域，这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力／热分析的热点问题，重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等，结合算例分析了相应的数值求解技术；在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法)，并给出了相应算例；对于气动力／热／结构耦合问题，从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。关键词：高超声速；数值模拟；气动加热；磁流体力学；气动热弹性力学；气动力／热／结构耦合中图分类号：V211．3文

3、献标识码：A文章编号：1000—6893(2015)01—0159—17近年来，高超声速飞行器的战略价值受到了各科技大国的高度重视，成为各国近期的研究热点。相比于超声速流动，高超声速流动具有以下几个显著特征：①薄激波层；②熵层；③黏性干扰效应；④高温效应；⑤低密度流动效应[1屯]。这些特点使得应用于一般超声速流动的数值模拟技术已不再适用。高超声速飞行中出现的各种特殊流动现象，如激波与边界层的相互干扰、边界层传热传质、化学反应以及烧蚀等，受到了国内外学者的高度重视，藉此，高超声速气动问题的数值求解技术得到了快速的发展。求解的控制方程已经从最初的Euler方程、各种简化Navier-St

4、okes方程到全Navier-Stokes方程；湍流尺度从雷诺平均方法、大涡模拟到直接数值模拟；气体热力学状态模型也已经从早期的量热完全气体模型发展到热力学化学非平衡模型；化学反应模型从最基本的单步基元反应到复杂的多步复合反应，包含数百个组元以及数千个反应式；计算网格也从单块结构网格发展到多块、非结构网格和重叠网格等。数值格式的研究和应用更是蓬勃发展，从传统的中心格式发展到现在的多种高效迎风格式。高超声速的复杂气动问题涉及众多学科专业，如高超声速空气动力学、计算流体力学(CFD)、化学反应流体动力学、电磁流体力学以及气动光学等，其数值求解方法也随着所关注问题的重点而异。本文就高超声速

5、流动中所涉及的气动力模拟、化学反应效应、磁流体力学、气动加热以及流固耦合问题开展分析，旨在与高超声速复杂流动数值模拟技术领域的研究人员共同探讨。1高超声速复杂流动数值模拟方法1．1控制方程高超声速连续流的主要流动控制方程是从质收稿日期：2014-08．t5；退修日期：2014—08．29；录用日期：2014·09—02；网络出版时间：2014-09—2414：55网络出版地址：www．cnki，net／kcms／detail／10．7527／S1000．6893．2014．0214，htm#基金项目：国家“863”计划*通讯作者．Tel．：025—84891231E-mail：wan

6、gjf@nuaa．edu．cn引用格武lWangJF．WuYZ．JiWD．eta1．Progressinnumericalsimulationtechniquesofhypersonicaerodynamicproblems￡JjActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2015，36(’)：159—175．I江峰．伍黠兆．季l栋，等÷高超声速复杂气动闻逛数值方法研究迸屣!旬。航空学报。2015，36(1)：159-175．160航空学报Jan．252015V01．36No．1量守恒、动量守恒和能量守恒三大定律导出的。下面给出流体力学中最常用的从空间位置

7、固定的有限控制体模型导出的流体控制方程——积分形式的Navier—Stokes方程：o广r兰lWd(2一中(F。一F，)dS—IQ啪(1)矾。nin蛐式中：n为控制体；an为控制体单元的边界；dS为控制体单元面；W为守恒量；F。为对流通量；F，为黏性通量；Q为源项。三维守恒量、对流通量、黏性通量及源项的表达式为IDP“W—lpvl_ID硼LoEF。一，F，一DVf9uV+nxPfovV+nyppwV+，z：户oHvO咒。r。，+押yr∞，+咒：r髓咒，rⅣ