复杂形体的高速气动对流及耦合换热研究

论文摘要

近年来,随着高速飞行器及目标红外特性技术的发展,对飞行器表面换热特性及温度场的研究日益受到重视。飞行器发动机舱结构复杂,舱内高温传热过程及热设计对发动机热可靠性及蒙皮温度控制都非常重要。开展此类问题研究,有重要的工程应用价值。本文借助于CFX与FLUENT两种CFD软件,分别研究了高速飞行器复杂外形表面的气动对流换热特性与发动机舱内的对流-辐射复杂换热特性。主要内容包括:1.建立了复杂形体高速飞行器表面的气动对流换热数值计算几何模型与网格,通过数值试验,分析了高速外流气动换热的远场与边界条件影响。在此基础上,模拟获得了不同条件下,复杂形体高速飞行器表面的气动绝热温度场,分析了相关因素的影响。2.模拟分析了壁面温度高于气动绝热温度、低于气动绝热温度两种情况下,复杂形体表面的气动对流换热特性,提取获得了不同条件下的气动对流表面传热系数分布,分析了相关因素的影响。3.建立了飞行器发动机舱复杂结构内流气动对流换热计算模型,采用FLUENT软件模拟舱内的对流-辐射耦合传热过程,并结合所提取的外蒙皮表面的外流气动对流传热系数,计算分析了不同条件下发动机舱及外蒙皮的复杂换热温度场。通过研究,对复杂形体高速飞行器的气动对流换热特性形成了较深入的认识,为复杂形体高速飞行器整体耦合热分析、热可靠性设计及红外目标特性研究提供了必需的特性参数与计算依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 气动热的研究现状
• 1.2.2 发动机舱内研究现状
• 1.3 论文的特点和研究方法
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 数值计算方法
• 2.1 控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 湍流模型概述
• 2.2.2 SST k-ω湍流模型
• 2.2.3 RNG k-ε湍流模型
• 2.3 计算软件介绍
• 2.3.1 ICEM-CFD 简介
• 2.3.2 CFX 软件简介
• 2.3.3 FLUENT 软件简介
• 2.4 数值计算的误差分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 复杂形体气动对流换热数值模拟
• 3.1 气动几何外形建模
• 3.2 网格
• 3.2.1 非结构化网格
• 3.2.2 网格划分
• 3.3 边界条件和远场选取
• 3.3.1 边界条件
• 3.3.2 远场选取
• 3.4 计算结果与分析
• 3.4.1 计算工况与说明
• 3.4.2 复杂结构表面温度场分布
• 3.4.3 翼型结构表面温度分布
• 3.5 本章小结
• 第4章 复杂形体的气动对流传热系数
• 4.1 气动对流传热系数
• 4.2 复杂结构区域表面气动对流换热特性
• 4.3 翼型结构表面气动对流换热特性
• 4.4 本章小结
• 第5章 发动机舱内流动和换热的数值模拟
• 5.1 几何模型及网格划分
• 5.2 边界条件和计算说明
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 舱内的流动和换热分析
• 5.3.2 导风罩表面黑度的影响分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢