高超聲速磁流體數值模擬研究

卜少科　薛雅心

摘 要： 高超聲速流動情況下，氣流經過強激波后溫度升高，發生電離和離解，導致局部存在等離子流并進而產生誘導磁場和電場，流動經過與磁場、電場的相互作用變得更加復雜。如果在高超速流場中人為加入磁場，則可以改變流場結構，實現對流動的控制，達到減阻、熱防護等目的。首先完成了磁流體力學控制方程推導，然后對FLUENT軟件進行二次開發，使其具備磁流體力學控制方程即MHD的數值模擬能力，最后進行了高超聲速鈍頭體MHD流動的數值模擬研究。

關鍵詞： 高超聲速； 磁流體力學； FLUENT； 阻力系數

中圖分類號： TN972+.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0137?03

0 引 言

高超聲速氣流經過強烈的激波后，很大部分動能在短時間內轉化為空氣分子內能，空氣分子的熱運動加劇，導致高溫真實氣體效應，產生電離和離解，從而流動產生磁場。磁流體力學研究的是磁場作用下帶電粒子的運動規律，所以很自然地可以運用到高超聲速流場。在高超聲速流場中人為地外加磁場就能改變流場的結構。磁流體力學的應用對高超聲速飛行器可以帶來以下作用：

減少飛器的阻力和熱源：外加磁場使飛行器外部流場里的帶電粒子受到洛倫茲力作用改變粒子運動，進而改變激波特性，使得激波脫體距離增加，波后流場參數的梯度減小。因此磁場干擾可以達到有效地改善飛行器的阻力和熱防護的影響。

增加超燃發動機在非設計狀態下的進氣量：通過外加磁場的方法產生使粒子向發動機進氣道內部運動，增加發動機的非設計狀態的進氣量，擴大發動機的有效工作范圍。

產生額外能源：外加適當磁場可以使帶電粒子流動產生電能，此方法可以為高超聲速飛行器在飛行中補充電能。

磁流體力學對超高聲速飛行器的應用不僅僅局限于以上例子。由于真實的實驗需要風洞速度達到高超聲速等極其苛刻條件，難于直接實驗，所以采用數字模擬研究，能為基礎研究提供一些理論依據。

1 磁流體力學方程及求解方法

1.1 磁流體力學控制方程[1]

4 結 論

本文運用FLUENT軟件的用戶自定義函數功能，進行了軟件的二次開發，在N?S方程基礎上增加了電磁場控制方程的求解功能，從而實現了MHD方程的數值求解。運用所開發的程序模塊，研究了外加磁場對高超聲速鈍頭體流動的影響，計算結果表明外加適當的磁場，可以使高超聲速飛行器的激波強度減弱，駐點壓力降低，阻力系數減小。

參考文獻

[1] 潘勇.高超聲速流場磁場干擾效應數值模擬方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 安德森.空氣動力學基礎[M].4版.北京：航空工業出版社，2010.

[3] 李鳳蔚.空氣與氣體動力學引論[M].西安：西北工業大學出版社，2007.

[4] 陸志良.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5] 鄭波.天地往返運輸系統高超聲速系統繞流的數值模擬[D].北京：北京航空航天大學，1998.

[6] 楊銀軍，竇志國，段立偉.超聲速來流中橫向噴流角度對流動與混合特性的影響[J].現代電子技術，2013，36（17）：151?154.

摘 要： 高超聲速流動情況下，氣流經過強激波后溫度升高，發生電離和離解，導致局部存在等離子流并進而產生誘導磁場和電場，流動經過與磁場、電場的相互作用變得更加復雜。如果在高超速流場中人為加入磁場，則可以改變流場結構，實現對流動的控制，達到減阻、熱防護等目的。首先完成了磁流體力學控制方程推導，然后對FLUENT軟件進行二次開發，使其具備磁流體力學控制方程即MHD的數值模擬能力，最后進行了高超聲速鈍頭體MHD流動的數值模擬研究。

關鍵詞： 高超聲速； 磁流體力學； FLUENT； 阻力系數

中圖分類號： TN972+.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0137?03

0 引 言

高超聲速氣流經過強烈的激波后，很大部分動能在短時間內轉化為空氣分子內能，空氣分子的熱運動加劇，導致高溫真實氣體效應，產生電離和離解，從而流動產生磁場。磁流體力學研究的是磁場作用下帶電粒子的運動規律，所以很自然地可以運用到高超聲速流場。在高超聲速流場中人為地外加磁場就能改變流場的結構。磁流體力學的應用對高超聲速飛行器可以帶來以下作用：

減少飛器的阻力和熱源：外加磁場使飛行器外部流場里的帶電粒子受到洛倫茲力作用改變粒子運動，進而改變激波特性，使得激波脫體距離增加，波后流場參數的梯度減小。因此磁場干擾可以達到有效地改善飛行器的阻力和熱防護的影響。

增加超燃發動機在非設計狀態下的進氣量：通過外加磁場的方法產生使粒子向發動機進氣道內部運動，增加發動機的非設計狀態的進氣量，擴大發動機的有效工作范圍。

產生額外能源：外加適當磁場可以使帶電粒子流動產生電能，此方法可以為高超聲速飛行器在飛行中補充電能。

磁流體力學對超高聲速飛行器的應用不僅僅局限于以上例子。由于真實的實驗需要風洞速度達到高超聲速等極其苛刻條件，難于直接實驗，所以采用數字模擬研究，能為基礎研究提供一些理論依據。

1 磁流體力學方程及求解方法

1.1 磁流體力學控制方程[1]

4 結 論

本文運用FLUENT軟件的用戶自定義函數功能，進行了軟件的二次開發，在N?S方程基礎上增加了電磁場控制方程的求解功能，從而實現了MHD方程的數值求解。運用所開發的程序模塊，研究了外加磁場對高超聲速鈍頭體流動的影響，計算結果表明外加適當的磁場，可以使高超聲速飛行器的激波強度減弱，駐點壓力降低，阻力系數減小。

參考文獻

[1] 潘勇.高超聲速流場磁場干擾效應數值模擬方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 安德森.空氣動力學基礎[M].4版.北京：航空工業出版社，2010.

[3] 李鳳蔚.空氣與氣體動力學引論[M].西安：西北工業大學出版社，2007.

[4] 陸志良.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5] 鄭波.天地往返運輸系統高超聲速系統繞流的數值模擬[D].北京：北京航空航天大學，1998.

[6] 楊銀軍，竇志國，段立偉.超聲速來流中橫向噴流角度對流動與混合特性的影響[J].現代電子技術，2013，36（17）：151?154.

摘 要： 高超聲速流動情況下，氣流經過強激波后溫度升高，發生電離和離解，導致局部存在等離子流并進而產生誘導磁場和電場，流動經過與磁場、電場的相互作用變得更加復雜。如果在高超速流場中人為加入磁場，則可以改變流場結構，實現對流動的控制，達到減阻、熱防護等目的。首先完成了磁流體力學控制方程推導，然后對FLUENT軟件進行二次開發，使其具備磁流體力學控制方程即MHD的數值模擬能力，最后進行了高超聲速鈍頭體MHD流動的數值模擬研究。

關鍵詞： 高超聲速； 磁流體力學； FLUENT； 阻力系數

中圖分類號： TN972+.4?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0137?03

0 引 言

高超聲速氣流經過強烈的激波后，很大部分動能在短時間內轉化為空氣分子內能，空氣分子的熱運動加劇，導致高溫真實氣體效應，產生電離和離解，從而流動產生磁場。磁流體力學研究的是磁場作用下帶電粒子的運動規律，所以很自然地可以運用到高超聲速流場。在高超聲速流場中人為地外加磁場就能改變流場的結構。磁流體力學的應用對高超聲速飛行器可以帶來以下作用：

減少飛器的阻力和熱源：外加磁場使飛行器外部流場里的帶電粒子受到洛倫茲力作用改變粒子運動，進而改變激波特性，使得激波脫體距離增加，波后流場參數的梯度減小。因此磁場干擾可以達到有效地改善飛行器的阻力和熱防護的影響。

增加超燃發動機在非設計狀態下的進氣量：通過外加磁場的方法產生使粒子向發動機進氣道內部運動，增加發動機的非設計狀態的進氣量，擴大發動機的有效工作范圍。

產生額外能源：外加適當磁場可以使帶電粒子流動產生電能，此方法可以為高超聲速飛行器在飛行中補充電能。

磁流體力學對超高聲速飛行器的應用不僅僅局限于以上例子。由于真實的實驗需要風洞速度達到高超聲速等極其苛刻條件，難于直接實驗，所以采用數字模擬研究，能為基礎研究提供一些理論依據。

1 磁流體力學方程及求解方法

1.1 磁流體力學控制方程[1]

4 結 論

本文運用FLUENT軟件的用戶自定義函數功能，進行了軟件的二次開發，在N?S方程基礎上增加了電磁場控制方程的求解功能，從而實現了MHD方程的數值求解。運用所開發的程序模塊，研究了外加磁場對高超聲速鈍頭體流動的影響，計算結果表明外加適當的磁場，可以使高超聲速飛行器的激波強度減弱，駐點壓力降低，阻力系數減小。

參考文獻

[1] 潘勇.高超聲速流場磁場干擾效應數值模擬方法研究[D].南京：南京航空航天大學，2007.

[2] 安德森.空氣動力學基礎[M].4版.北京：航空工業出版社，2010.

[3] 李鳳蔚.空氣與氣體動力學引論[M].西安：西北工業大學出版社，2007.

[4] 陸志良.空氣動力學[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5] 鄭波.天地往返運輸系統高超聲速系統繞流的數值模擬[D].北京：北京航空航天大學，1998.

[6] 楊銀軍，竇志國，段立偉.超聲速來流中橫向噴流角度對流動與混合特性的影響[J].現代電子技術，2013，36（17）：151?154.