氣動加熱的數值仿真及其地面試驗模擬技術

孫得川　李書月

摘要： 氣動加熱仿真與相關試驗研究是高超聲速飛行器發展中的重要內容。 對超聲速氣動加熱現象中的邊界層流動和傳熱過程進行分析， 從物理角度探討了氣動加熱仿真方法中工程模型、 氣體模型、 湍流模型和網格尺度， 以及計算格式和邊界條件對仿真的影響。 介紹了氣動加熱研究常用的氧-乙炔火焰燒蝕、 輻射加熱器、 高焓風洞等試驗設備及其優缺點， 討論了氣動加熱環境地面模擬試驗中的相似參數， 并分析了冷壁熱流過高的原因。

關鍵詞： 氣動加熱; 數值仿真; 地面試驗; 試驗設備; 相似參數

中圖分類號：???? ??TJ763

文獻標識碼：???? A

文章編號：???? ?1673-5048（2023）03-0011-09

DOI：? 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0253

0引言

飛行器在大氣層內做超聲速或高超聲速飛行時， 由于飛行器與環境氣體之間存在巨大動能差以及氣體黏性的作用， 環境氣體會對飛行器表面產生劇烈的加熱作用， 這種現象稱為氣動加熱。

近幾十年來， 對高超聲速氣動加熱的研究非常多， 包括流場的數值仿真、 流場與結構的耦合仿真、 熱防護材料的燒蝕、 以及試驗模擬等［1-4］。 為了使同行能夠從浩如煙海的文獻中快速找到關鍵問題并理清研究思路， 本文將高超聲速氣動加熱的數值仿真和地面模擬試驗研究進行歸納總結， 希望能夠引起同行更加深入的思考。

1超聲速飛行時的氣動加熱現象

從本質上看， 超聲速飛行器的氣動加熱問題其實是飛行器和大氣之間的能量交換問題。 圖1以高超聲速飛行的彈頭為例進行說明。……