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高超声速再入体气动热数值模拟研究
高超声速再入体气动热数值模拟研究
高超声速再入体（HypersonicReentryVehicle，HRV）是指在高速飞行过程中进入大气层再入的飞行器。由于高速再入过程中产生的湍流流场、过渡区以及速度和压力梯度的非线性特性，使得HRV的气动热问题成为研究的热点之一。为了解决这一问题，数值模拟技术已经成为了研究HRV气动热问题的常见方法。
本文通过对HRV气动热数值模拟的研究，探究其背后的机理，为研究HRV设计和优化提供参考依据。
一、高超声速再入体的特点和问题
HRV的特点在于其高速飞行和在大气层再入时所经历的湍流热流和高温氧化等问题。HRV再入时，其外表面附着的空气会受到压缩，致使温度和压强同时增加，而后产生高温的湍流热流。另外，由于入射气体的流动速度很高，再入过程中漩涡、旋转区和压力波等流动现象易发生。然而，相对于传统的低速飞行器而言，HRV的热化问题要复杂的多。
二、HRV气动热数值模拟的方法
1.计算流体力学方法
计算流体力学（ComputationalFluidDynamics,CFD）是目前HRV气动热数值模拟中运用比较广泛的数值方法。该方法可以通过对流动流体的运动计算，给出重要的流动参数如速度场、压力分布、温度分布等，能够更细致的分析HRV的复杂湍流流场等问题，并提供了评估HRV设计方案和参数的方法。通常，这种方法使用Navier-Stokes方程作为基础，再加上热扰动方程或热传导方程以及边界条件和修正因子等附加条件实现数值模拟。
2.有限元方法
求解固体热传导问题的数值方法，通常采用有限元法，该方法的基本原则是把连续的物体划分成有限小块的元素，在每个元素内建立函数方程，描述该元素内物理量的变化关系，而后通过连接这些元素得到整体方程又称为有限元方程组。有限元法的求解过程可以用流程图表示为：定义计算域→离散化→建立有限元方程→求解方程→后处理结果。
三、HRV气动热数值模拟的结果
1.初始状态
在高空中，HRV的初始状态非常重要，因为再突入大气层时，任何形式的初始偏差都可能引起HRV在再入阶段出现非正常燃烧。
2.冷却效果
由于入射高压空气产生的湍流热流非常强烈，因此HRV的表面需要采取降温措施。传统的冷却方式是靠表面上镶嵌的冷却排解决，但这种方式最大的问题是“神经病”热现象，即在一些冷却排未工作时，导致局部超温，从而引起热失控。因此，当前的研究方向是发展新型的涂层材料或是采取其他穿心冷却或非均匀冷却的方法。
3.再入阶段
再入阶段和大气层过冷阶段，是HRV气动热数值模拟的关键阶段。HRV会经历大量的化学反应过程，其中大气分子会分解成原子、离子等，且能量会随着化学反应而释放，从而带来大量的热效应。HRV表面的化学反应不仅包括氧化反应，还包括燃烧反应和射流反应等，这将极大地增加流动和传热的复杂性。
四、结论
通过对HRV气动热数值模拟的研究，我们得出结论：CFD数值模拟是目前HRV气动热分析的常用方法，能够揭示HRV在复杂湍流流场等流动现象中的气动热特性，为改善HRV设计提供约束和参考。
未来，随着计算机技术和数值模拟技术的不断发展，HRV气动热数值模拟的研究将更加深入。同时，也会有更多的重点和难点问题被提出，如如何准确建立HRV的初始状态、如何优化冷却效果等，为HRV的设计和应用提供支持和参考。