文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123451
超声速气流与固壁瞬态热耦合过程的准稳态特征分析
沈淳1,孙凤贤2 ,夏新林1
(1. 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨 150001; 2. 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院)
(Tel:0451-86412148, E-mail: ******@hit.)
摘要:本文采用高速可压缩Kurganov and Tadmor中心-迎风求解算法,以及能够在同时刻满足耦合界面两侧温度和热流皆相等的耦合处理方式,搭建了高速可压缩气动流场流固耦合计算平台。以高超声速来流冲击圆管为例,结合已有实验数据,从激波位置、圆管表面温度分布等多角度验证了高速瞬态耦合程序的准确性。随后运用该程序,通过对N-S控制方程中各控制项数量级大小对比,分析了圆管表面不同位置处非稳态项、导热项以及耗散项在传热过程中起到的不同作用,探讨了圆管表面与平板表面“准稳态”现象形成的不同机理,最终结合圆管边界层温度分布状况总结了圆管表面不同位置在不同时刻满足“准稳态”特征的特点。
关键词:流固耦合;高超声速;边界层;准稳态
0 引言
在超声速气动流场长时间瞬态流固耦合数值模拟过程中,流、固两种不同物态参数变化对应特征时间量级相差很大[1],文献[2,3]分别运用CFL数估算超声速流场变化特征时间,运用Fourier数估算流场中固体材料参数变化特征时间,发现两者差异都在104以上。如此大的特征时间差异作用下,导致固态温度场变化极慢,在较小的流场特征时间量级范围内,流场状态参数接近稳定状态——准稳态。
考虑到高速气动流场流固耦合过程中的“准稳态”特征,可以对流固耦合计算过程进行简化,从而提高计算效率,尤其对于高速飞行器百秒甚至千秒的再入过程,该简化过程可以大幅度缩短计算时间。文献[1]和[3]省略高速流场的部分步进过程,分析了柱状、锥状结构长时间非稳态流固耦合过程。文献[4]和[5]近似认为对应时间节点上流场为稳态,分析了长时间非稳态过程中板体结构的耦合过程,获得了与相应实验符合良好的计算结果。虽然相应“准稳态”计算方法与实验结果符合良好,但以上各文献仅仅应用了“准稳态”特征,未能进一步分析“准稳态”过程本身所具有的形成机理、换热特征以及运用该种简化方法所带来的计算误差等问题。
本文采用高速可压缩Kurganov and Tadmor中心-迎风求解算法,搭建了高速气动流固耦合求解平台,运用已有实验数据对其准确性进行了验证,运用量级分析等手段进一步分析了高速气动流场流固耦合过程中存在的“准稳态”特征。
1 控制方程及数值方法
、固控制方程
基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 51176038,51106036)资助。
流动控制方程如下:
(1)
(2)
(3)
其中、、和分别为流场密度、速度、温度和总能, 为时间,为应力张量。
固体传热方程如下:
(4)
数值格式
运用高速可压缩Kurganov and Tadmor中心-迎风格式对界面通量进行离散,根据文献[8、9]可知,该种格式避免了N-S方程中矢通量雅可比矩阵计算和特征分裂,具有二阶空间离散精度,数值粘性小并且满足总差分不变(TVD)条件等特点。具体对流项离散步骤如下:
界面插值对流项离散
(5)