Вычислительные модели гиперзвукового обтекания тел сложной формы

• Автор: Железнякова, Александра Львовна
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 306 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Проблемы численного моделирования полета при
гиперзвуковых скоростях
1.1. Введение
1.2. Обзор основных проблем аэротермодинамики, возникающих при проектировании перспективных ГЛА
1.3. Выводы
Глава 2. Построение расчетных сеток для задач аэротермодинамики
2.1. Введение
2.2. Обзор работ, посвященных созданию расчетных сеток для задач вычислительной газовой динамики
2.3. Модель взаимодействия частиц между собой
2.4. Сила сопротивления
2.5. Взаимодействие частиц с границами расчетной области
2.6. Распределение узлов на сложных криволинейных поверхностях
2.7. Энергия системы взаимодействующих частиц
2.8. Интегрирование уравнений движения
2.9. Максимальный радиус взаимодействия
2.10. Топология сеток
2.11. Адаптация сетки, построенной молекулярно-динамическим методом91
2.12. Построение триангуляции на заданном наборе точек
2.13. Возможности метода
2.14. Выводы
ГлаваЗ. Расчет течения совершенного сжимаемого газа на
неструктурированных сетках
3.1. Введение
3.2. Постановка задачи трехмерного течения невязкого газа
3.3. Постановка задачи трехмерного течения вязкого газа
3.4. Представление сетки в программе

3.5. Описание метода расщепления по физическим процессам для невязких течений
3.6. Описание метода расщепления по физическим процессам для вязких течений
3.7. Постановка начальных и граничных условий
3.8. Ускорение сходимости решения
3.9. Выводы
Глава 4. Численное моделирование гиперзвукового обтекания сферы
4.1. Введение
4.2. Постановка задачи
4.3. Результаты численного моделирования
4.4. Выводы
Глава 5. Численное моделирование обтекания различных типов
спускаемых космических аппаратов
5.1. Введение
5.2. Численное моделирование поля течения при входе в атмосферу Земли спускаемого космического аппарата Fire II
5.3. Результаты расчета аэротермодинамики экспериментальных моделей космических аппаратов MSL и сегментально-конического космического аппарата
5.4. Выводы
Глава 6. Численное моделирование гиперзвукового обтекания модели летательного аппарата Х
6.1. Введение
6.2. Постановка задачи численного моделирования внешнего гиперзвукового обтекания модели ГЛА Х
6.3. Результаты численного моделирования
6.4. О некоторых возможностях оптимизации формы поверхности ГЛА Х-43 вычислительными методами
6.5. Выводы
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность. Экспериментальные и теоретические исследования аэротермодинамических процессов, протекающих при гиперзвуковом полете летательных аппаратов, приобретают все большую актуальность с развитием аэрокосмической техники. Проектирование перспективного гиперзвукового летательного аппарата (ГЛА) сложная комплексная задача и подразумевает разработку аэродинамики планера, входного устройства двигателя, камеры сгорания, стартового ускорителя; создание конструкционных материалов, выдерживающих высокие температуры; получение высокоэнергетических видов топлива; разработку систем охлаждения и управления полетом. Также необходимо тщательное изучение проблем динамики полета, в том числе взаимного влияния на траекторию полета управляющих поверхностей планера и режимов работы двигательной установки.
Кроме множества технических проблем, существует ряд нерешенных фундаментальных научных задач аэротермодинамики гиперзвукового полета, в частности, точное предсказание аэротермодинамических характеристик в широком диапазоне полетных условий, снижение сопротивления трения при полете, что в значительной степени характеризуется состоянием пограничного слоя на поверхностях летательного аппарата.
При исследовании проблем полета с гиперзвуковой скоростью в атмосфере Земли, разработке и создании новых высокоскоростных летательных аппаратов, вычислительные методы являются одним из основных инструментов наряду с испытаниями в наземных аэродинамических установках и летным экспериментом. Проведение летных экспериментов необходимо, поскольку в лабораторных условиях крайне сложно моделировать эффекты реального газа, процессы нагрева конструкций и горения в двигателях. Летные испытания позволяют проверять в реальных условиях все новые концепции и решения, которые заложены на стадии проектирования и исследований. Проведение подобных летных и наземных экспериментов требует очень больших

Такое же преобразование использовалось в [98] при создании вычислительного кода, предназначенного для моделирования трансзвуковых течений. Другие типы конформных преобразований предложены в [131] и [85]. Исчерпывающий обзор методов конформных преобразований для построения расчетных сеток сделан в [150], а так же некоторые полезные сведения содержатся в [109].
Применение конформных преобразований ограничено двумерными областями, поэтому наряду с ними применяются другие альтернативные преобразования координат более простые в использовании. В работах [109, 182] представлена технология построения сеток для осесимметричных тел, совмещающая конформное преобразование и сдвиг координатных линий сетки. В [109] применяется серия конформных преобразований. Применение преобразований совместно с процедурами растяжения и сдвига позволило строить трехмерные расчетные сетки для несложных конфигураций крыльев или фюзеляжа с незначительным нарушением ортогональности [110, 119]. В работе [88] показана возможность построения объемных сеток с использованием серии координатных преобразований для интегрированной модели крыльев и фюзеляжа. Построение расчетных сеток для более сложных моделей выходит за рамки простых алгебраических методов.
Проблема построения расчетных сеток для сложных конфигураций была решена благодаря появлению дифференциальных подходов.
Появление технологии построения расчетных сеток на основе решения дифференциальных уравнений в частных производных (так называемые дифференциальные методы) позволило делать преобразования' координат для более сложных двумерных и трехмерных областей.
Идея численного определения эквипотенциальных линий для внутренних и внешних несжимаемых течений была впервые высказана в [112].
Хорошо известный метод построения расчетных сеток, основанный на решении эллиптических уравнений, предложен в работе [187]. В данной статье