高速飞行器流场和固体结构温度场一体化计算新方法的初步研究.pdf

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1、第20卷第4期空气动力学学报VOI.20，NO.42002年l2月ACTAAERODYNAMICASINICADec.，2002!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!文章编号：0258-l82（52002）04-0422-06高速飞行器流场和固体结构温度场一体化计算新方法的初步研究耿湘人，张涵信，沈清，高树椿（中国空气动力研究与发展中心，四川绵阳62l000）摘要：本文探索和研究了一种不需作流/固耦合迭代的一体化计算方法，通过将气体流动和固体结构传热用统一的方程组

2、进行描述，并用统一的方法进行求解，避免了流/固之间的耦合迭代问题。为了验证该数值方法的可靠性，本文对高焓高超声速气流绕二维不锈钢圆管的流动、气动加热以及结构热响应问题进行了计算，结果与实验符合良好。关键词：数值模拟；热传导；一体化计算；NND有限差分方法"中图分类号：V2ll.3文献标识码：A0引言高速飞行器在稠密大气层飞行时其气动热环境十分复杂。为研究其气动加热和结构热响应特性，传统上将问题划分成独立的两部分，假设壁面温度并通过NS数值模拟计算得到壁面热流，由于该热流与实际热流相比有不同程度的高估，用于结构传热计算则结构温度会

3、显著高于实际温度值，因而对于来流总焓较低的热壁效应很明显的流动，NS数值模拟法得出的热流一般不能用于结构烧蚀热响应计算，采用流/固一体化计算方法是很有必要的。自上世纪80年代末起，国外学者陆续开展了耦合迭代的一体化计算研究［l-3］，为考虑流场和结构温度场之间的相互影响，在二个计算之间反复进行耦合迭代直至收敛。国内学者在这方面也开展了一些研究工作［9］。但这些研究都是采用对流动传热问题进行分割计算、耦合迭代的方式进行的，能不能找到一种方法将气体流动和固体结构传热作为一个统一的物理现象用统一的方程进行描述并用统一的算法进行计算，是

4、本文研究的目的。自从LeveISet方法问世［4］以来，该方法在各领域里都得到了广泛的应用［5-7，l0，ll］。［l0］及固体表面蚀刻与沉积问题［ll］进行研究Sethian和AdaIsteinssOn在分别对晶体生长问题时，在固体表面移动速度由经验关系确定前提下，通过LeveISet方程的求解得出任意时刻的固体表面形状。文献［5-7］在用LeveISet方程计算包含不同介质流体界面运动时，通过Heaviside函数将不同介质的流体运动统一到一套不可压NS方程中进行描述，通过Dirac函数将不同流体交界面的表面张力作为源项并入

5、到控制方程中，并在交界面上对"收稿日期：2002-02-28；修订日期：2002-07-20.基金项目：武器装备预研基金资助项目（00Jl3.2.6.KG29ll）作者简介：耿湘人（l964-），男，湖南醴陵人，高级工程师，从事高超声速气动热及其热防护计算研究工作.空气动力学学报第20卷""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""［5］，由此在不同介质交界面两侧对流体物性参数Dirac与Heaviside两函数作数值平滑处理进行定义，将微分方程延拓到接触间断面上，从而对

6、整个多介质流动用统一的方程进行描述并用统一的算法进行求解。对于高速流动传热问题，烧蚀速度是已知函数，可以通过定义零LeveIset参量对烧蚀壁面进行标定识别，通过求解LeveIset方程解出各时刻的运动烧蚀表面的形状，当烧蚀速度为零时即对应无化学烧蚀，此时壁面形状是固定不变的。此外，通过对物面能量通量进行定义，并保持各介质物性参数在壁面上的间断特性不变，用物面控制体内能量积E分的方式给出微分控制方程在物面上的存在形式，使其能正确反映物面附近的能量传输过程，从而对整个流动传热问题进行统一的描述，在此基础上用统一的算法进行一体化求解

7、。据此本文构造了一种新的一体化计算方法，并通过数字实验的方式验证了方法的可靠性和精度。本文暂未考虑烧蚀。!控制方程和边界条件在坐标变换平面（，）中基于气体来流条件进行无量纲化处理，整个气体流场与固体结构温度场的控制方程统一写成如下形式!U!F!G!F1!G1++=+（l）!t!!!!其中éùéu^ùé1^ùêúêúêúU=-lêuúF=-lêuu^+xPúG=-lêu1^+xPúêê1úúêê1u^+yPúúêê11^+yPúúëEûëHu^ûëH1^ûé0ùé0ù-lêú-lêúêxxx+yxyúêxxx+yxyúF1=G1=

8、Reêxyx+yyyúReêxyx+yyyúêúêúëûëûxx+yyxx+yy!T!Tl，，=x=uxx+1yx+f!xy=uxy+1yy+f!y（-l）M2Pr对于气体介质有l（u22），C2f=，E=C1T++11=l/（-l）M2式（l）就是可压缩流的N