圆管绕流气动加热耦合计算研究

摘 要：气动加热问题一直制约着高超声速飞行器的发展，准确预测高速飞行器的热环境成为亟需解决的问题。依据飞行环境的复杂性，提出多场耦合分析策略，以圆管绕流问题为研究对象，建立了一套完整的的气动加热数值求解方法。通过对圆管模型流场、温度场、结构场的耦合计算，验证其计算方法的可靠性并对其物理特性进行了深入分析。

关键词：气动加热；热环境；耦合分析；数值求解

中图分类号：V211.3 文献标识码：A

在超声速流动中，气流和固体壁面存在较大的相對运动速度，在壁面上会产生较大的速度梯度和温度梯度，从而引起气流和壁面间的气动加热。随着对飞行器更高速度、远距离的发展要求，所遇到的气动加热问题越发突出。

在以往的对气动加热的研究，往往将气动加热分开研究，或借助于简化模型进行计算，这种方法误差较大，不利于定量分析。在高超声速气动热环境中，其特性与飞行器的气动外形、所处飞行环境及其内部结构形式和壁面材料等因素密切相关，外部流场的气动加热与内部结构场之间存在强烈的耦合关系，即耦合计算问题。[2]因此在研究气动热问题时，必须研究和建立基于流场、温度场、结构场的多场耦合的数值分析方法和手段。

研究采用ANSYS仿真分析软件，可以在不需要其他软件辅助的情况下，独立完成对气动热的耦合计算。本文基于ANSYS软件，建立了一套完整的的气动加热数值求解方法，对圆管模型流场、温度场、结构场进行耦合计算并分析其物理特性，完成了对气动热环境的研究。

1 耦合分析策略

通过采用ANSYS FLUENT计算，获得模型外流场的温度、压力、密度和速度的物理参数的云图分布。然后与ANSYS里的Steady-State、Static-Structural两个模块建立接口，将流场计算结果导入进行耦合模拟计算，得到结构场的物理参数分布。

2 模型建立及网格划分

采用ANSYS Geometry软件建立圆管外部流场模型。通过ANSYS Mesh软件对模型外流场进行网格划分，得到网格总数为8000个，如图1。采用的是结构化四边形网格，对流场边界层进行了网格加密处理，保证流场边界层内至少存在10层网格以上。近壁面处的网格尺寸设定为 1×10-3m，网格的增长比为1.2。

3 计算结果

3.1 流场计算结果

图2表明流场最高温度约为2258K，比文献[4]中波后温度结果2167K结果略高，误差为4.19%。图3得到激波后最大压强为35660Pa，比文献[4]中的结果值32000Pa略高，误差为11.4%。以上两个物理参数的误差均小于15%，满足计算要求。

3.2 温度场计算结果

通过流场、温度场的耦合计算，即流固耦合，得到圆管内部温度场的分布情况，图4是2s时间内圆管驻点处的温度与时间的关系变化曲线。其中，在前0.1s内驻点处的温度上升速度是最快的。

3.3 结构场计算结果

基于模型的材料属性，采用Static-Structural与 FLUENT建立接口，进行耦合计算，得到结构场的物理参数分布。

从图4可以清楚地看到，圆管的前缘区域内（驻点处）的应变、应力、变形量都是最大的，并且都分布在紧靠圆管外壁面处。这是由于在气动加热的作用下，温度梯度增大，高温热量逐渐向圆管内部传递导致的。其中，在结构内部温度和应力共同作用导致下，变形量从圆管的前缘沿着壁面往圆管两边的变形量逐渐减小。在2s时刻的最大形变为3.19×10-6m，对比圆管的特征尺寸，该变形量可以忽略不计，这也验证了耦合计算的流场、温度场的正确性。

4 结论

基于ANSYS 17.0仿真软件，对圆管绕流问题进行研究。根据飞行环境多场耦合特性，建立了一套完整的的气动加热数值求解方法。通过对圆管模型流场、温度场、结构场的耦合计算，验证其计算方法的可靠性并对其物理特性进行了深入分析。结果分析表明：

（1）在流场中，紧挨壁面处存在较大的温度、压力、速度梯度。

（2）圆管的前缘端点是圆管中温度最高的区域，该处温度随时间不断升高，其中，在0.1s内上升速度最大。

（3）圆管的前缘区域内是应变、应力、变形量的集中区域，该区域是热防护设计的重点。

参考文献：

[1]李会萍.高超声速飞行器气动加热特性及其计算方法研究[D].上海交通大学，2010.

[2]张胜涛，陈方，刘洪.基于多场耦合的飞行器热环境数值分析方法研究[J].空气动力学学报，2014，32（06）：861-867.

[3]Wieting A R，Holden M S.Experimental study of shack wave interference heating on a cylindrical leading edge at Mach 6 and 8[R].AIAA-1987-1511，1987.

[4]Dechaumphai P，Thornton E A，Wieting A R.Flow-thermal-structural study of aerodynamically heated leading edges [R].AIAA Paper 88-2245，1988.

[5]夏刚，刘新建，程文科，秦子增.钝体高超声速气动加热与结构热传递耦合的数值计算[J].国防科技大学学报，2003，01：35-39.

[6]贺国宏，高晓成，庞勇.高超声速再入体表面热流数值模拟研究[J].空气动力学学报，2001，02：177-185.

通讯作者：张超。