壁温变化非定常气动加热机理研究
临近空间高超声速飞行器如空天飞机、滑翔式导弹等，需要在大气层中长时间持续飞行，会经历不同的高度和马赫数，甚至会有大量的机动运动。飞行器的热环境是随着来流条件、飞行器表面温度及其机动运动而动态变化的，有必要考虑非定常气动加热的新理论。Kolodziej论及高超声速飞行中的非稳态效应，认为非稳态气动加热率是确定热防护系统的重要参数；Quinn的数值结果表明，飞行器表面温度随时间变化明显，这也是非定常现象的体现。但是，迄今尚未有系统地研究过各种非定常气动加热的特征及机理。本文针对高超声速飞行器表面温度变化引发的非定常气动加热环境，提炼简化模型，利用近似解析与数值模拟两个途径互相验证，对壁温变化引起的非定常气动加热特征及其机理作了探索。本文采用的简化模型为边界层型附着流动，讨论壁面温度突然变化的情况。首先，通过N-S方程数值模拟研究了高超声速平板边界层流动因壁温突增引发的非定常气动加热特征。数值结果表明瞬时的壁面热流率等物理量存在明显的非定常现象。突增的壁面温度显著改变了壁面热流值，在壁面温度突增后的短时间内，热流方向亦发生改变。但是就已有数值结果来看，非定常响应存在的时间又很短，边界层会很快地再次达到稳态。事实上，若非定常响应持续时间很短，即使瞬态的响应幅值很大，非定常过渡过程也是可以忽略的。那么，问题的关键就在于：在什么样的参数条件下，壁温变化引发的非定常响应持续时间短到可以忽略？最终达到稳态所需的时间尺度又取决于什么？我们试图通过近似解析手段回答这些问题。进一步将模型问题简化为半无穷大平板可压缩非定常热边界层问题。通过摄动展开，可以分别得到壁温突变后短时间内以及最终趋向稳态的瞬态解。将两者在一定区间上匹配，就得到了整个时间域上的瞬态解。结果表明，摄动项中的指数衰减项及其幅值决定了最终达到稳态所需的时间尺度。在满足理论解假设的区域内，数值解与理论解能够有合理的比对。
非定常气动加热 平板边界层 N-S方程数值模拟 近似解析 飞行器 非稳态效应 壁面热流值
陈皓 鲍麟 童秉纲
中国科学院研究生院空气动力学实验室,北京,100049
国内会议
南京
中文
344-345
2008-10-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）