论文摘要：高超声速三维无粘流动的数值模拟

本文在对国内外相关研究的基础上，分析了完全气体情况和化学非平衡情况下两种流场，来探索高超声速非平衡流场的流动规律，并寻求对这类流动行之有效的模型和数值求解方法，从而为设计大升阻比气动外形提供参考。飞行器在高超声速飞行时，与稠密大气层相互作用，在其头部形成一个强弓形激波。由于粘性耗散效应和激波强烈压缩，巨大的动能损失的一部分转变为激波层内气体的内能，空气在穿过头部激波时被加热，温度突然升高，使空气分子产生离解电离和化学反应，空气比热比γ不再是常数。高温化学反应流动不仅影响飞行器的气动特性，最为重要的是使物面受到严重的气动加热，使物面材料发生烧蚀，成为影响飞行器设计的重要因素。本文首先对双椭球外形流场进行了分析和计算，分析其化学非平衡效应对流场流动规律的影响，并与采用完全气体模型的计算结果进行了比较，并验证了所用的计算程序的正确性和可信度。随后在分析高超声速双椭球流场的基础上，对航天飞机简化外形的流场进行了数值模拟，对其不同攻角和不同马赫数情况下的流动规律进行了分析。本文中的控制方程选用三维守恒型含化学反应源项的Euler方程，采用五组元五反应的化学反应模型，其组元成分为N2、O2、NO、N、O。差分格式采用张涵信院士提出的NND激波捕捉格式。所用网格为代数方法生成的结构网格，所使用的双椭球外形网格和航天飞机简化外形网格的网格点数均为102×41×59。计算结果表明本文的方法对于三维高超声速无粘流动的数值模拟是可行的，可以正确的分析化学非平衡情况和完全气体情况两种流场不同的流动规律，并且分析过程中根据两种流场的不同流动规律探索了其物理原因。