超声速不同介质横向喷流数值模拟

来源 :中国空气动力研究与发展中心 | 被引量 : 0次 | 上传用户:fannao3562
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横向喷流广泛应用于各类飞行器的机动控制。真实情况下的喷流介质往往包含多种组分,如果按照真实喷流介质对喷流问题进行研究,会极大的提高研究的复杂性和难度,以往为了方便横向喷流问题的研究,往往将喷流介质简化为空气。采用这一方法降低了喷流研究的难度,但却忽略了喷流介质本身带来的影响。本文以不同喷流介质对飞行器气动特性和流场结构的影响为研究对象。在原有冷喷程序的基础上搭建了“异质”喷流模拟平台,并以模拟平台的建立、确认和实际应用为主线,对二维和三维的横向喷流问题进行研究。在方法的建立上,选取和推导了分密度方程并对可压缩粘性流动的双组分NS方程进行推导,建立了单组分和混合气体输运系数之间的转换关系,采用Runge-Kutta方法对时间项进行离散,空间项采用二阶迎风格式,湍流模型采用SA一方程湍流模型。由于不同介质喷流的边界条件和输运系数与空气喷流的不同,重点介绍了边界的设置和输运系数的求解。上述理论的具体过程在本文中的第二章进行了详细的叙述。在方法的确认上,包含冷喷和不同介质喷流的算例。首先,分别采用空气和N2作为喷流介质对三维导弹横向喷流问题进行模拟,通过对比计算结果,验证了程序修改的可靠性。然后,基于本文搭建的不同介质喷流模拟平台对文献中的狭缝N2问题进行数值计算,并将计算结果分别与文献中的实验和模拟结果进行对比,确认了计算结果的可靠性。最后,通过与Fluent的浓度分布计算结果进行对比,发现两者基本保持一致。在方法的应用上,主要是采用不同介质喷流模块,对二维和三维的算例进行分析。首先,在相同的边界条件下,对狭缝CO2喷流和空气喷流进行计算,分析了两者在流场结构和压力分布上的差异,将不同介质喷流模拟平台的计算结果与动量比模拟方法的结果进行对比,发现两者之间存在一定差异。其次,选择H2喷流进行计算,通过与空气喷流进行比较,分析了喷流介质的物性参数对喷流干扰效应的影响。再次,在模拟过程中通过调节狭缝的个数,分析狭缝个数对流场结构、压力分布、喷流介质浓度分布的影响。最后,分别选用比热比不同的燃气作为喷流介质对导弹横向喷流进行模拟,发现喷流介质比热比对导弹的轴向力影响不大,但是对法向力和俯仰力矩有较大影响。导弹的压心随着比热比增加而略微向后移动。在本文的最后,简要概括了本文的主要内容,指出了工作的不足以及下一步的工作计划。
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