Моделирование сопряженных процессов аэрогазодинамики и теплообмена на поверхности теплозащиты перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов

Используемый в настоящее время метод расчета температуры поверхности для гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА) может давать значительные погрешности, поскольку температура аэродинамического нагрева конструкций может быть настолько высока, что потребуется применение теплозащитных материалов, вбрасывающих в набегающий поток смесь многокомпонентных газов. В статье предложен новый численный метод решения полной сопряженной задачи аэрогазодинамики и внутреннего теплообмена в конструкциях перспективных ГЛА, основанный на итерационном решении трех типов самостоятельных задач: задачи газодинамики для идеального газа, задачи динамики вязкого газа в рамках полных динамических уравнений Навье–Стокса для трехмерного пограничного слоя, уравнения теплопроводности для оболочки ГЛА. Предложены алгоритмы численного решения этих задач в криволинейных неортогональных координатах. Выполнена модификация конечно-разностных схем типа TVD для их применения на геометрически-адаптивных сетках. Представлены результаты моделирования обтекания фрагмента носовой части модельного ГЛА эллипсоидальной формы. Проведено сравнение результатов расчета температуры для случаев адиабатической стенки и с учетом теплообмена между газом и стенкой, показавшее важность учета теплообмена при расчете температуры поверхности ГЛА.

Литература

[1] Anderson J.D. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Virginia, Reston, 2006. 232 p.

[2] Тирский Г.А., ред. Гиперзвуковая аэродинамика и тепломассообмен спускаемых космических аппаратов и планетных зондов. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2011. 548 с.

[3] McNamara J.J. , Fr iedmann P.P. Aeroelast ic and Aerothermoelastic Analysis of Hypersonic Vehicles: Current Status and Future Trends. 48th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 23—26 April 2007, Honolulu, Hawaii, available at: http:// www. mecheng.osu.edu/lab/cael/sites/default/files/AIAA–2007–2013 (accessed 20 November 2013 ). 55 p.

[4] Crowell A.R., McNamara J.J., Miller B.A. Hypersonic Aerothermoelastic Response Prediction of Skin Panels Using Computational Fluid Dynamic Surrogates. ASDJournal, 2011, vol. 2, no. 2, pp. 3—30.

[5] Dimitrienko Yu.I. Termomechanics of Composites under High Temperatures. Dordrecht, Boston, London, Kluwer Academic Publishers, 1999. 347 p.

[6] Dimitrienko Yu. Heat-Mass-Transport and Thermal Stresses in Porous Charring Materials. Transport in Porous Media, 1997, no. 27(2), pp. 143–170.

[7] Dimitrienko Yu.I. Thermomechanical behaviour of composite materials and structures under high temperatures: 1. Materials. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 1997, no. 28(5), pp. 453–461.

[8] ДимитриенкоЮ.И., Захаров А.А., КоряковМ.Н., Сыздыков Е.К. Численное решение сопряженной задачи аэрогазодинамики и внутреннего теплопереноса в конcтрукциях гиперзвуковых летательных аппаратов. ВестникМГТУ им.Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. Спец. вып.№6. Моделирование и исследование физических и технических систем, 2012, с. 84—101.

[9] Димитриенко Ю.И., Минин В.В., Сыздыков Е.К. Численное моделирование процессов тепломассопереноса и кинетики напряжений в термодеструктирующих композитных оболочках. Вычислительные технологии, 2012, т. 17,№2, с. 43—59.

[10] Димитриенко Ю.И., Захаров А.А., Коряков М.Н. Модель трехмерного пограничного слоя и ее численный анализ. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. Спец. вып., 2011, с. 136—150.

[11] Димитриенко Ю.И., Котенев В.П., Захаров А.А. Метод ленточных адаптивных сеток для численного моделирования в газовой динамике. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2011. 286 с.

[12] ДимитриенкоЮ.И., КоряковМ.Н., Захаров А.А., Сыздыков Е.К. Развитие метода ленточно-адаптивных сеток на основе схем TVD для решения задач газовой динамики. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2011, №2, с. 87—97.

[13] Гильманов А.Н. Методы адаптивных сеток в задачах газовой динамики. Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2000. 248 с.

[14] Димитриенко Ю.И. Тензорное исчисление. Москва, Высшая школа, 2001. 575 с.

[15] Калугин В.Т., ред. Аэродинамика. Москва, Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. 687 с.

[16] Братчев А.В., Забарко Д.А., Ватолина Е.Г., Коробков А.А., Сахаров В.И. Вопросы теплотехнического проектирования перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов аэробаллистического типа. Известия института инженерной физики, 2009, т. 2, № 12, с. 42—49.