边界效应对导弹头罩流场热环境数值仿真影响.pdf

:./.边界效应对导弹头罩流场热环境数值仿真影响徐世南赵善举喻春明(.河南科技大学 车辆与交通工程学院河南 洛阳 .无锡职业技术学院 汽车与交通学院江苏 无锡)摘 要:针对边界效应对超声速导弹头罩热力环境数值仿真准确度产生影响的问题采用流热固多场耦合分区求解方法建立了导弹头罩数值仿真模型对其流场与结构温度场进行数值模拟实现导弹头罩流场热环境精确仿真计算和边界效应对导弹头罩热力环境数值仿真影响分析 结果表明:随着边界远离头罩驻点温度场的边界效应逐渐减弱边界距离头罩驻点的远近对压力场无影响热环境分析时需要考虑边界效应流场分析时可以忽略此效应此研究对导弹头罩热力环境预示数值仿真计算具有指导意义关键词:导弹头罩耦合边界效应热力环境数值仿真中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:引 言超声速导弹在高速飞行时头罩与外部气流会发生剧烈的相互作用使头罩承受很大的气动力载荷同时由于外部气流迅速压缩将动能转化为热能使导弹头罩面临严重的气动加热 严峻的气动热力学环境有可能直接导致导弹头罩瞬间破坏 因此对导弹头罩气动力与气动热环境进行准确预测能够更好地为导弹头罩热防护与结构设计提供指导目前对于导弹头罩热力学环境预测得到了广泛的开展 张翔等采用 格式耦合隐式 方法求解了 方程得到了导弹头罩气动力与气动热 肖昊苏等基于 湍流模型得到了头罩的压力与温度分布规律并发现驻点处载荷环境最严酷 付昊等基于 流体仿真软件得到了导弹头罩温度场模型 辛尊采用有限元方法进一步分析了导弹头罩的热应力 李宗阳等采用限体积法和有限元法相结合的多场耦合分析方法实现了导弹头罩的热力环境预测 郑子玙等基于 、表面反应和二维非稳态热传导方程实现了一种导弹头罩热环境预示方法 此外其它种类飞行器热力环境预示方法也可以应用于导弹头罩相关研究中导弹在实际飞行过程中不仅是头罩弹身末端产生的尾流也会对热力环境产生影响因此将其称之为边界效应 目前关于头罩的热力学环境预测研究数值建模大部分都仅建立单独的头罩模型进行分析未考虑边界效应的作用这样会造成气动热/力载荷计算不准确 笔者建立头罩流/热/固多场耦合仿真模型基于不同弹身长度研究边界效应对头罩气动力与气动热环境的影响为导弹头罩热力环境预示提供指导机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:基金项目:江苏省高等学校自然科学研究面上项目:飞行汽车形态仿生气动优化设计研究(编号:)作者简介:徐世南()男浙江宁波人博士讲师研究方向:飞行器热防护设计 控制方程和耦合策略.控制方程流体控制方程采用积分形式的 方程其形式如下:()式中:为守恒变量 为无黏通量 为粘性通量为物理时间 为某一固定区域 的边界 为面积微元 为控制边界法向单位矢量基于静气动弹性将变分原理应用于热传导控制方程、结构控制方程以及它们相应的边界条件得到热结构有限元矩阵方程:()式中:为结构刚度矩阵 为热传导矩阵 为热弹性刚度矩阵 为位移向量 为温度向量 为力载荷向量 为热载荷向量.耦合方法耦合分析模型如图 所示计算区域被分为流体与固体两个模型在流体模型求解流体控制方程得到结构壁面温度和位移在固体模型求解热结构控制方程热流和压力两个模型通过流固耦合界面实现参数的实时交换图 耦合模型 采用分区求解方法完成多场耦合的瞬态分析其具体耦合分析策略为:结构壁面温度和结构位移的初始设置值作为数值仿真初始条件将其通过流固耦合界面传递给流体域流体域进行气动热力学仿真计算求解得到热流和壁面压力热流和流体壁面压力通过流固耦合界面传递给固体域在固体域进行热结构仿真计算求解得到结构壁面温度和结构位移循环 步直至收敛然后进行下一个时间步的迭代计算不断循环该过程直至设置的时间终止值完成多场耦合数值计算基于 软件进行数值分析有限体积法求解三维 控制方程组采用 格式积分 格式迭代结构传热采用有限元对热传导控制方程进行空间离散结构热应力应变分析采用有限元法对热弹性力学控制方程进行求解时间积分采用 格式利用全牛顿法迭代计算网格变形采用任意拉格朗日欧拉法 仿真校验选择经典圆管绕流实验作为多场耦合方法仿真校验算例 算例的二维计算网格如图 所示圆管初始温度.内壁采用等温壁圆管内外半径分别为.和.材料为不锈钢材料参数见文献 计算初始时圆管表面压力分布并与实验结果对比如图 所示图中 为驻点压强 为物面到圆心的连线与 轴的夹角 图 为计算的驻点 的温度变化在 时温度升至.实验值为.数值模拟数据与实验值符合良好验证了耦合方法的有效性图 二维计算网格图图 压力对比图图 温度曲线 计算模型导弹头罩计算模型示意图如图 所示考虑边界效应的计算模型如图()所示不考虑边界效应的研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用计算模型如图()所示其中外部流边界条件为:速度 温度 压力 初始温度和压力与外部流边界条件对应数值相同头罩材料参数如表 所列头罩几何模型为:半径 厚度 头罩长度 计算网格如图 所示计算时间 由图、可知考虑边界效应时需更大的计算网格量来保证仿真结果精度表 头罩材料参数物理参数数值密度/(/)弹性模量/.热膨胀系数/.热传导系数/().比热容/().泊松比.图 计算模型图 计算网格 计算结果分析以头罩驻点为例进行研究设 时刻头罩长度 仿真模型的驻点压力与温度分别为、通过增加弹身长度改变结构模型总长度值 研究边界效应对头罩流场的影响其不同总长度下 头罩驻点压力与温度分别为、分别以压力差百分比 /、温度差百分比()/作为纵坐标结构模型总长度与头罩长度比作为横坐标初始数值仿真模型得到不同结构长度的 驻点压力与温度对比图图 为不同结构长度的 驻点压力对比由图可知压力差均在 以内边界距离头罩驻点远近对压力场无影响因此对头罩流场进行数值仿真时可不考虑边界效应图 压力对比图图 压力云图 以考虑边界效应的初始计算模型为例其流场压力云图如图 所示由于导弹在高速飞行时速度达到超声速尾流不会产生回流所以边界效应对导弹头罩压力场的仿真无影响图 为不同结构长度的 驻点温度压力对比当头罩计算模型总长度较短时边界效应对头罩的温度场仿真产生影响在/时考虑边界效应与不考虑边界效应温度仿真结果相差约 虽然考虑边界效应比不考虑的结构计算模型其末端多了一部分结构致使热容增大但是由于头罩壁厚较薄此部分增加的热容对温度仿真结果影响不大随着头罩模型长度的增加温度差相对于长细比的斜率趋近于 即机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验随着边界远离头罩驻点温度场的边界效应逐渐减弱 考虑边界效应与不考虑尾边界效应两种计算模型在头罩模型总长度足够时均能得到较为精确的温度仿真结果但不考虑边界效应的头罩模型计算效率高 因此在进行导弹头罩温度场数值仿真时可以通过增加模型长度消除边界效应的影响并在此基础上可采用不考虑边界效应的计算模型从而更高效地进行头罩热环境预示图 温度对比图 以考虑边界效应的初始计算模型为例流场温度云图如图 所示 在外部流与头罩进行热交换时对于头罩是一个气动加热过程而头罩结构与内部流的热交换对于头罩是一个散热过程随着头罩模型长度增加内流场区间增加内流场区域的增加有利于头罩的散热但是增加到一定程度后这种影响程度减小所以边界效应对结构温度场的仿真有影响且随着头罩长度的增加边界效应减弱或消失图 温度云图 结 论采用流热固多场耦合分区求解方法对超声速导弹头罩进行流场热环境数值仿真通过研究边界效应对其热力环境影响得到以下结论()边界距离头罩驻点的远近对头罩压力场仿真结果不产生影响即边界效应对导弹头罩压力场无影响()边界效应对温度场有影响且增加边界距离头罩驻点的距离温度场的边界效应逐渐减弱()在进行导弹头罩热力环境预示时流场分析可不考虑边界效应进行建模而结构温度场分析需要考虑边界效应的影响根据实际精度需求增加头罩仿真模型总长度文中研究了边界效应对导弹头罩热力环境的影响但后续仍需进一步开展边界效应的定量化分析从而为导弹头罩热力环境预示提供更具体与精准的指导参考文献:陈正明赵金峰.一体化热防护结构防热特性研究.机械研究与应用():.孙明晓季俊云史岩峰等.红外制导导弹头罩温度场测量装置的设计.强度与环境():.赵雄飞吴国东王志军等.超高速弹丸气动热的数值模拟析.弹箭与制导学报():.刘永胜曹立阳张运海等.高超声速飞行器热防护用超高温复合材料的研究进展.复合材料科学与工程():.唐 玫吉洪湖胡娅萍.超声速飞行器综合热管理系统优化设计.推进技术():.张 翔陈 方张胜涛等.高温效应对全动舵飞行器气动热力特性影响.科学技术与工程():.肖昊苏陈 澄姚 睿等.复杂热环境下蓝宝石共形头罩气动热效应研究.现代防御技术():.付 昊唐尧文.玫瑰扫描光学系统头罩气动热建模与仿真.飞控与探测():.辛尊.某型靶机头罩结构热应力分析.机电信息():.李宗阳李煜程广益等.考虑多场耦合效应的飞行器头罩热防护结构数值分析.空天防御():.郑子玙史金光徐旸等.基于化学反应的高超声速弹丸头部气动热预测.弹道学报():.黄杰姚卫星单先阳.高超声速气动热/结构温度场一体化耦合分析.机械设计与制造工程():.洪元刘亮堂杨立明等.气动加热环境下壁面热响应的快速分析方法.弹箭与制导学报():.郜阳李彦彬王颖等.变后掠翼导弹气动特性仿真分析.机械设计():.徐世南吴催生.高超声速导弹流场与结构温度场耦合数值分析.弹箭与制导学报():.徐世南吴催生.高超声速导弹多场耦合仿真.宇航学报():.:.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用