论文摘要：高速飞行器多场耦合数值模拟方法研究

 

        高超声速飞行器对于未来空间探索及军事领域具有重要的战略价值，气动、结构、热相互作用的多场耦合现象是高速飞行器的突出特点之一。多场耦合分析涉及多个学科之间的相互协调，非线性程度高，复杂性强，为飞行器的研制工作带来一系列新的难题，成为目前国际上的研究热点。数值模拟以其成本低、周期短、数据完备、适用范围广等优势成为研究高超声速多场耦合问题的有效手段，对多场耦合计算方法及其关键技术进行研究，开发计算平台，可为高速飞行器设计提供仿真工具和理论指导，对提高飞行器性能具有重要意义。

        本文针对多场耦合计算中的动网格、界面数据传递以及耦合求解方法进行研究，并制作数据接口将各模块有机地结合起来建立了多场耦合计算平台，应用平台对高速飞行器的几个典型的多场耦合问题进行了数值计算。论文的主要内容及研究成果包括以下方面：

        (1) 选用动网格体系下的三维NS方程作为控制方程，开发了流场计算程序，并对流场求解高超声速气动力、气动热的精度进行了验证；采用商业软件ANSYS作为结构有限元分析工具，并开发软件与流场求解程序的流固耦合计算接口；针对高速飞行器的刚体运动问题，建立了以刚体六自由度运动方程为基础的计算框架。

        (2) 研究了多场耦合计算中的两大关键技术：动网格及界面数据传递。对当前常用的嵌套网格、弹簧比拟动网格技术以及样条插值、常体积转换等界面数据传递技术进行了研究，编制了相应的计算程序，分析了各方法的优缺点及适用条件。

        (3) 针对动网格问题，提出将刚体运动与弹性变形分开处理的思路：对于刚体运动采用嵌套网格方法，极大地增强了程序处理结构间存在较大相对位移的问题的能力。采用wang挖洞算法及ADT数据结构，使嵌套网格模块满足自动化程度高、通用性强及效率高的要求。对于弹性变形，只需采用相应的方法在考虑弹性变形的子网格区域内进行网格更新操作，减少了存储量，提高了计算效率。

        (4) 将径向基函数插值方法引入动网格及界面数据传递技术，分析了不同基函数以及紧支半径的选取对计算结果的影响，给出了基函数和紧支半径选取的一般原则。径向基函数插值应用于网格运动有数据结构简单、适应大变形能力强的优势，应用于界面数据传递时守恒性好，插值精度高，是处理多场耦合计算问题的有效手段。

        (5) 研究了多场耦合问题的时域求解方法，以两场耦合为基础分别介绍了紧耦合、松耦合以及高阶时间精度松耦合方法的基本流程。分析了各种耦合求解方法的特点以及对于实际工程问题的适用性，通过NACA0012强迫俯仰运动、子母弹分离、AGARD 445.6机翼跨声速颤振以及圆管高超声速气动加热四个算例对流场-刚体运动、流场-结构动力学以及流场-结构传热耦合计算的精度进行了验证，体现了本文耦合计算平台对于多体运动、气动弹性和气动加热问题的求解能力。

        (6) 建立多场耦合仿真计算平台，并应用平台对高速飞行器多场耦合问题进行数值仿真计算。以类HTV-2高超声速升力体飞行器为研究对象，对有效载荷后抛释放进行了非定常计算，分析了飞行攻角、飞行高度及弹射速度对载荷姿态的影响；以高超声速翼身组合体为研究对象，对静气弹和气动加热过程进行了耦合计算，得到飞行器结构变形以及温度分布。分析了气动力和热应力对结构变形的作用以及结构变形对飞行器气动性能的影响，并研究了结构导热和表面热辐射等因素对飞行器温度分布的影响；研究了超声速条件下导弹的发射过程。令导弹作周期性的弹性变形，计算了不同变形幅度及固有频率条件下导弹的运动轨迹，并分析了弹性变形对导弹运动轨迹的影响；以类HTV-2升力体飞行器为对象，进行了飞行器舵面操纵动态响应问题的研究。首先对飞行器自激俯仰运动规律进行研究，在此基础上施加阶跃、简谐舵偏指令，研究了飞行器在舵面操纵条件下的动态特性。最后在计算中考虑舵面的弹性变形，分析了高超声速条件下舵面弹性变形对飞行器动态响应特性的影响。

        本文的工作是多场耦合分析方法在高速飞行器上的创新性应用，为高速飞行器多场耦合问题的研究提供了思路。采用的计算方法和计算平台可应用于其他工程问题的分析，具有较强的工程实用价值。

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