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高超声速飞行器热力环境数值仿真研究综述
高超声速飞行器热力环境数值仿真研究综述
摘要：
高超声速飞行器作为一种具有重要战略意义的航天器，其在大气中飞行时所经历的极端热力环境对其飞行性能和结构的影响不可忽视。由于寻找一种有效的试验手段进行实验研究存在极大的困难，数值仿真成为高超声速飞行器热力环境研究的重要方法。本文将对高超声速飞行器热力环境数值仿真研究进行综述，介绍了数值仿真的基本原理、方法以及常用的数值仿真软件，并对高超声速飞行器热力环境数值仿真研究的典型成果进行了归纳总结。
关键词：高超声速飞行器；热力环境；数值仿真；综述
一、引言
高超声速飞行器是指在大气中飞行速度超过5倍音速（即马赫数大于5）的航天器。由于其飞行速度极高，所以会产生严重的热力环境，即所谓高超声速飞行器的热问题。高超声速飞行器的热力环境主要包括边界层压缩加热、气动加热、气体化学反应、边界层剪切热、喉道压缩加热等。这些热力环境对高超声速飞行器的飞行性能和结构安全造成了重要影响。为了研究和分析高超声速飞行器的热力环境，科研人员常常采用数值仿真方法进行研究。
二、数值仿真的基本原理和方法
1.基本原理
数值仿真是指通过数学模型和计算机程序对现实问题进行模拟和计算的方法。它可以通过计算机进行复杂的数学运算，从而获得问题的数值解。数值仿真的基本原理是根据实际问题的数学模型，在计算机上建立相应的计算模型，并通过模型的求解来获得问题的数值解。
2.方法
高超声速飞行器热力环境的数值仿真方法主要有两种：物理模拟方法和数值计算方法。
物理模拟方法主要是通过建立实验模型来进行仿真，使用模型进行试验并记录实验数据，然后根据实验数据进行数据处理和分析，从而获得问题的解。物理模拟方法的优点是可以获得真实的实验数据，但是其缺点也很明显，即需要大量的人力、物力和财力投入，并且在实验过程中可能会出现一些不可控的因素。
数值计算方法是利用计算机进行数值解的方法，通过建立数学模型对实际问题进行仿真计算。数值计算方法的优点是可以通过计算机实现自动化计算，大大提高了计算效率，并且可以对问题的数值解进行多次重复计算，从而提高计算结果的准确性。数值计算方法的缺点是需要对实际问题进行数学建模，并且需要选择相应的数值计算方法来进行求解。
三、常用的数值仿真软件
目前，用于高超声速飞行器热力环境数值仿真的软件主要有：
1.Fluent：是由美国ANSYS公司开发的一种基于流体动力学原理的计算流体力学（CFD）软件。它可以对高超声速飞行器的热力环境进行模拟计算，并对气动加热、边界层剪切热等进行分析和仿真。
2.CFD++：是由国内某公司自主开发的一种通用的计算流体力学（CFD）软件。它具有较高的计算精度和计算效率，适用于高超声速飞行器热力环境的数值仿真研究。
3.Star-CCM+：是由西门子公司开发的一种多物理场计算流体力学（CFD）软件。它集流体力学、传热和固体力学等多个物理学过程于一体，适用于高超声速飞行器的热力环境数值仿真计算。
四、高超声速飞行器热力环境数值仿真研究的典型成果
1.边界层压缩加热
边界层压缩加热是高超声速飞行器热力环境中的一大难题。研究人员通过数值仿真方法对高超声速飞行器边界层压缩加热进行研究，获得了边界层压缩加热的分布规律和影响因素。
2.气动加热
气动加热是高超声速飞行器热力环境中的另一个重要问题。通过数值仿真方法，科研人员对高超声速飞行器在大气中的气动加热进行了模拟计算，并研究了气动加热的分布规律和影响因素。
3.气体化学反应
在高超声速飞行器的热力环境中，气体的化学反应对飞行器的性能和结构有重要影响。通过数值仿真方法，可以对高超声速飞行器的气体化学反应进行模拟计算，从而研究其分布规律和影响因素。
综上所述，高超声速飞行器热力环境数值仿真研究是一项具有重要意义的研究工作。通过数值仿真方法可以对高超声速飞行器的热力环境进行模拟计算，从而获得问题的数值解。这种方法可以有效地提高研究效率，降低成本，并且可以对问题的数值解进行多次重复计算，从而提高计算结果的准确性。随着计算机技术的不断发展，数值仿真在高超声速飞行器热力环境研究中的应用将更加广泛。