基于轴对称比拟的高超声速复杂外形气动热预测方法研究

杨光达，段焰辉，蔡晋生

（西北工业大学流体力学系，陕西西安７１００７２）

摘　要：轴对称比拟法是高超声速飞行器气动热计算的一种有效方法。针对轴对称比拟法应用时公式推导繁琐、变量迭代复杂、计算量大的缺陷，直接在笛卡尔坐标系下采用三维线性方程拟合物面方程及流场变量，推导出相应的流线尺度因子计算公式，扩展了驻点区热流密度的计算方法，提出了一种驻点区下游流线推进格式。以改进的轴对称比拟法为基础，将边界层外无粘流场数值方法与边界层内气动热工程算法进行耦合，发展了一套适用于三维复杂外形飞行器的气动热计算方法。通过对球头钝锥和双椭球算例进行验证，结果表明：方法计算效率较高，适用范围较广，热流计算结果和实验数据吻合良好。关键词：高超声速；气动热；轴对称比拟

中图分类号：Ｖ２１１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１桘６５４Ｘ（２０１４）０２桘００９５桘０７

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引言

从高超声速飞行器研究兴起开始，世界各国就一直致力于气动加热计算方法的研究，气动热环境的准确预估一直是热防护系统设计的基础。在高超声速飞行器的概念研究、初步设计过程中，需要高效地预测飞行器的气动热特性，由于ＣＦＤ模拟对网格质量和计算方法要求严格，且耗费大量机时，因而寻求一种能快速有效地预测气动热环境的近似方法十分必要。

纵观国外的高超声速近似预测方法可以发现，由Ｃｏｏｋｅ提出的基于流线跟踪的轴对称比拟法［１］

理论基础坚实，计算精度较高，是计算三维边界层气动加热最有效的方法。由于该方法对于复杂飞行器外形具有良

好的适用性，ＤｅＪａｒｎｅｔｔｅ和Ｈａｍｉｌｔｏｎ等人

［２－７］

对此进行了深入的研究和多方面的改进，先后开发了ＡＥＲＯ－ＨＥＡＴ、ＡＡ３ＤＢＬ、ＬＡＴＣＨ、ＵＮＬＡＴＣＨ２、ＵＮＬＡＴＣＨ３等气动热计算程序，并广泛应用于Ｘ－３３、Ｘ－３４和ＣＥＶ等高超声速飞行器的初步设计阶段。近年来，国内的代光月［８］

、薛鹏飞［９］

等人也分别对轴对称比拟法开展了初步的探索和研究，取得了一定的成果。

应用轴对称比拟法的关键在于物面流线和尺度因子的计算。原始方法在柱坐标系中推导尺度因子的计算公式，各中间量的迭代计算较为复杂；另外，传统的流线追踪法需要在飞行器表面布置大量流线，并将在流线上计算的热流参数插值到网格节点上，导致方法

　收稿日期：２０１３－１２－１３修订日期：２０１４－０２－０３

　作者简介：杨光达（１９９１－），男，山东聊城人，硕士研究生，主要研究方向为高超声速飞行器气动热计算，流体力学。

第４４卷　第２期航空计算技术

Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．２２０１４年３月ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＣｏｍｐｕｔｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅＭａｒ．２０１４