网格对高超声速钝头体表面热流数值模拟结果的影响

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26710

流体力学与飞行力学

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网格对高超声速钝头体表面热流数值模拟结果的影响

马崇立, 刘景源()

南昌航空大学飞行器工程学院，南昌 330063

收稿日期:2021-11-29 修回日期:2021-12-26 接受日期:2022-01-20 出版日期:2022-01-28 发布日期:2022-01-26
通讯作者: 刘景源 E-mail:jjliouu@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(11562012)

Effect of grid strategy on numerical simulation results of aerothermal heating loads over hypersonic blunt bodies

Chongli MA, Jingyuan LIU()

Aircraft Engineering College，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China

Received:2021-11-29 Revised:2021-12-26 Accepted:2022-01-20 Online:2022-01-28 Published:2022-01-26
Contact: Jingyuan LIU E-mail:jjliouu@163.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11562012)

摘要/Abstract

摘要：

高超声速钝头体热流的精确预估，对高超声速飞行器热防护的设计具有重要意义，而网格划分尺度对预估飞行器表面热流精度具有重要的影响。应用理论分析及数值模拟方法，提出了一种基于壁面网格雷诺数及基于钝体特征长度的来流雷诺数网格划分方法，并给出了壁面网格雷诺数的取值范围。应用所提出的网格划分方法，对不同来流条件的高超声速半圆柱及球头表面热流进行了数值模拟，结果表明，应用所提出的网格划分方法，及给出的可供参考的壁面网格雷诺数的取值范围划分网格，在满足高超声速钝体表面热流精度要求的同时，有利于网格合理分布并提高数值计算效率。

关键词: 高超声速, 气动热, 钝头体, 误差分析, 网格尺度

Abstract:

Accurate prediction of aerothermal heating load over hypersonic blunt bodies is of great significance to the design of hypersonic vehicle thermal protection， while grid metric affects the prediction accuracy of aircraft surface heating load. By theoretical analysis and numerical simulation， a grid generation method is proposed according to the cell Reynolds number and freestream Reynolds number， respectively， based on the wall parameters and characteristic length of blunt bodies， and the reference value range of the cell Reynolds number based on wall parameters is also provided. The proposed grid generation method is then applied to the simulation of hypersonic aeroheating computations over semi-cylinders and semi-spheres under different incoming flow conditions. The results show that the proposed grid generation method and the suggested range of the cell Reynolds number based on wall parameters can satisfy the precision requirement of thermal environment simulation over hypersonic blunt bodies， facilitate the rational distribution of grids， and simultaneously improve the efficiency of numerical calculations.

Key words: hypersonic flow, aerothermal heating, blunt body, error analysis, grid metric

中图分类号:

V211.5

马崇立, 刘景源. 网格对高超声速钝头体表面热流数值模拟结果的影响[J]. 航空学报, 2023, 44(5): 126710-126710.

Chongli MA, Jingyuan LIU. Effect of grid strategy on numerical simulation results of aerothermal heating loads over hypersonic blunt bodies[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(5): 126710-126710.

图/表 14

图1

图 2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

表1

不同算例网格划分尺度汇总

来流外形	$M a ∞$	$R e$	D/m	$λ w$	$Δ n w, m a x$ /m	$R e c e l l, w, m a x$	$Δ x m a x$ /m	$R e$	$Δ x m a x Δ n w, m a x$
半圆柱	8.0	3.76×10⁵	0.076 00	1.1×10^-7	8.1×10^-6	170	4.9×10^-3	613	605
半圆柱	16.34	2.97×10⁵	0.076 00	2.6×10^-7	2.0×10^-5	171	1.1×10^-2	545	550
球头	8.0	1.70×10⁵	0.015 00	1.1×10^-7	4.3×10^-6	85	1.8×10^-3	410	419
球头^［17］	8.0	1.70×10⁵	0.015 00	1.1×10^-7	1.3×10^-6	26	5.3×10^-4	410	408
球头	13.24	6.26×10⁴	0.350 00	6.2×10^-7	3.9×10^-5	140	1.1×10^-2	250	282
球头^［26］	13.24	6.26×10⁴	0.350 00	6.2×10^-7	3.5×10^-5	125	1.0×10^-2	250	286
钝头锥^［18］	10.6	2.20×10⁵	0.055 88	4.6×10^-7	4.2×10^-6	20	1.4×10^-3	469	333
升力体^［26］	15.0	1.68×10⁵	0.140 00	9.1×10^-8	8.4×10^-6	206	4.1×10^-3	410	488

表1

图12

表2

不同算例流场参数汇总

来流外形	$M a ∞$	$T ∞ / K$	$T t / K$	$T w / K$	$T ∞ / T w$	$T t / T w$	$q s / k W ⋅ m - 2$
半圆柱	8.0	125	1 725.0	294	0.425	5.867	406.2
半圆柱	8.0	125	1 725.0	1 200	0.104	1.438	95.1
半圆柱	16.34	52	2 828.6	294.4	0.177	9.609	527.1
半圆柱	16.34	52	2 828.6	1 000	0.052	2.829	350.4
球头	8.0	64.64	892.0	294	0.220	3.034	554.8
球头	8.0	64.64	892.0	500	0.129	1.784	315.3
球头	13.24	265	9 555.8	294.4	0.900	32.458	911.8
球头	13.24	265	9 555.8	2 000	0.133	4.778	696.2
钝头锥^［18］	10.6	47.3	1 110.2	294.4	0.161	3.771	184.9
升力体^［26］	15.0	250.35	11 516.1	300	0.850	39.117	5 000

表2

参考文献 28

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