张竞文,欧吉辉,陈杰
摘要: 更泛空域、更宽速域的跨流域飞行器已成为当前研究的热点之一,乘波体因其高升阻比和简单外形受到了广泛关注和研究。目前对于高空稀薄条件下乘波体外形气动特性的研究还很少,由于流场包含从连续到稀薄多个流域,其气动特性预测面临严峻挑战。本文针对法国MARHy稀薄风洞测试的乘波体模型,采用直接模拟Monte Carlo (Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)方法、传统的Navier-Stokes (NS)方程和基于DSMC数据改进的NS模型(DSMC data-improved Navier-Stokes,DiNS)进行模拟分析,通过与实验气动力测试结果对比评估了不同计算方法的计算精度,分析了近连续流条件下乘波体外形的气动力特点,研究了流场局部稀薄气体效应以及对气动力的影响,并进一步分析了马赫数和攻角的影响。结果表明:对于马赫数20、努森数0.01的乘波体实验工况,传统NS结合滑移边界预测的阻力与实验测量结果的相对误差高达39.19%,DiNS模型通过修正线性本构关系可将与实验的相对误差降低至3.95%;该乘波体外形摩阻占总阻比例达到97.14%,边界层中存在显著的剪切非平衡效应导致线性本构关系失效,使得NS预测的摩阻过高。此外,攻角的增加会使得升力系数显著增加,升阻比显著提高,同时稀薄气体效应更加显著;随着马赫数增加,该乘波体升力系数因偏离设计工况大幅度减小,升阻比显著下降。