高超声速尖头体驻点热流从连续态过渡到稀薄态的变化特征和桥函数研究

摘要

本文采用理论分析加数值验证的办法研究了高超声速尖头体驻点热流从连续态过渡到稀薄态的变化特征。新型近空间高超声速巡航飞行器采用尖头薄翼的尖前缘外形，要求对驻点热流有比较准确并且相对简单的预测方法。随着前缘曲率半径不断减小，流动逐渐变的稀薄，驻点局部区域粘性干扰效应和稀薄气体效应依次出现，在连续介质假设下预测驻点热流的经典理论Fay-Riddell公式将会失效，驻点热流呈现新的变化特征和演变规律。当前缘曲率半径一直减小以致趋于0时，驻点热流并不会无限增大，而是趋近于自由分子流极限。这一现象背后的物理机制仍然有待从理论方面加以深入研究。首先，本文把连续流动和稀薄流动放在同一框架下分析，把稀薄情况下因分子碰撞不充分导致的稀薄气体效应与Fourier传热定律失效以及热传导的非线性因素影响增强联系起来。我们借鉴Burnett近似的热流表达式形式，在高超声速前缘驻点区域找到了非线性热流的主要控制因素，构造了包含非线性项的热流具体表达式。然后结合流场图像，把非线性和线性热流的比值Wr当作一个特征参数来加以理论研究，它表征非线性因素影响大小，同时也可以作为划分稀薄流动的判据。最后，基于特征参数Wr构建了具有物理意义的驻点热流预测桥函数，在整个流动区域都能得到与DSMC计算值和实验数据符合较好的结果。