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高超声速飞行器热防护系统热力分析边界元快速算法研究
作者 : 刘健
学位授予单位 : 大连理工大学
学位名称 : 博士
导师姓名 : 高效伟
学位年度 : 2016
关键词 : 高超声速飞行器；热防护系统；边界元集成单元；快速算法
摘要 : 高超声速飞行器是未来重要的飞行工具,其巨大的经济和军事价值吸引了众多科技强国的关注,纷纷投入大量精力开展相关技术研究。高超声速气动加热及其对应的热防护问题是高超声速飞行器设计面临的关键难题之一。随着飞行速度越来越快,飞行器受到的气动加热越来越严重,需要的热防护结构也越来越复杂。传统的气动热预测和结构热分析方法建模复杂、计算量大、耗费时间长,己很难满足热防护系统快速分析的需求。因此,发展针对高超声速飞行器热防护系统的气动加热／结构传热一体化耦合快速分析方法,对高超声速飞行器的初始设计和选型优化具有重要应用价值。本文采用边界元法计算飞行器周围无粘流场,结合气动热工程算法快速预测飞行器受到的气动加热；采用热网络法对多层热防护结构进行瞬态快速热分析,实现热防护系统气动加热和结构传热的耦合快速分析。此外,针对主动冷却热防护系统提出了集成单元边界元快速算法,并对被动热防护系统的边界元分析方法进行了研究。本文的主要研究内容归纳如下：(1)研究高超声速气动热快速预测方法。采用边界元法计算飞行器周围无粘流场,并根据无粘速度获得飞行器表面流线；采用基于流线的轴对称比拟法,利用气动热工程算法计算飞行器表面的热流密度,实现复杂外形高超声速飞行器的气动热快速预测。(2)研究多层结构热防护系统的瞬态快速分析及其气-固一体化耦合分析方法。采用热网络法建立多层结构热防护系统的瞬态热传导分析模型,针对每层结构建立等效节点,并给出节点等效热导和等效热容的计算公式。针对带有曲率的钝头和翼前缘等部位提出修正思想,并给出修正公式。结合气动热工程算法,通过界面上边界条件的数据传递,采用松耦合方法实现热防护系统的一体化快速分析。以热防护系统总体厚度或质量为目标函数,对多层结构热防护系统的各层厚度进行优化。(3)研究主动冷却结构集成单元边界元快速分析方法。基于子结构法的思想提出集成单元边界元算法,该方法仅需对主动冷却结构中仅含一根冷却通道的胞元结构建立边界元模型,形成具有常规单元性能的集成单元,并对集成单元进行组集,建立总体结构的系统方程组。在组集过程中,采用子结构消去法的思想逐步消去集成单元间的公共节点变量,最终得到只含结构最外部边界节点变量的系统方程。由于集成单元的系数矩阵只需计算一次,且总系数矩阵只含结构最外部边界节点变量,计算规模大幅减小,计算效率显著提高。(4)研究被动热防护系统的边界元分析方法。推导了采用面力恢复法计算功能梯度材料边界热应力的计算公式。采用该方法计算边界热应力可以避免直接通过应力积分方程求解时高阶奇异积分的处理。针对金属热防护系统中出现的窄条单元,采用不等间隔单元子分技术计算窄条单元的各阶奇异积分,并通过在窄条单元的两个方向上采用不同的高斯点数,改善边界元法分析薄壁问题时的计算精度。本文提出的高超声速热防护系统气动加热／结构传热耦合快速分析方法,可快速、准确地预测飞行器受到的气动加热及其热响应。该耦合方法可用于高超声速飞行器初始设计阶段,为热防护系统的方案初选和结构定型提供依据。本文提出的集成单元边界元法显著减少了主动冷却结构的分析时间；对边界元法的相关改进,提高了功能梯度材料边界热应力的计算效率,改善了薄壁结构的计算精度,拓展了边界元法的适用范围,使其可用于被动热防护系统的结构分析。