壁面附着流的非定常气动热力学模型理论研究

我们旨在从理论上研究壁面附着流非定常气动热力学的原理.首先,选择了两个具有NS方程解析解的简化模型：时变的壁面速度与壁面温度边界条件诱发的可压缩非定常无穷大平板附着流动,并求解了（第二问题）其非定常温度场与壁面非定常热通量（即热流）.其次,根据这两个简化模型的解析解,分析了上述模型流动中非定常温度场与非定常速度场相互作用的特征及其对壁面非稳态传热的影响.由能量方程决定的非定常热通量受到由动量方程决定的非定常压缩功和黏性耗散项的直接影响.我们从简化模型中揭示了非定常速度场对非定常热通量影响强弱的的主要参数以及影响规律.最后,基于可压缩边界层方程组,推导了非定常气动热力学的相似性准则.除了表征速度场非定常性的判据Strouhal数Stu,首次提出了表征温度场非定常性的判据Stt.研究结果表明,与非定常空气动力学中仅凭Stu大小即可判断要否考虑非定常因素的传统做法不同,在非定常气动热力学中是否需要考虑非定常因素,应该从无量纲的能量方程出发,根据温度场非定常判据Stt与其他各项系数的相对大小加以综合评估而定.     

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

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,驻点局部区域黏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,驻点热流并不会无穷增大,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,由于所有流动都可以由Boltzmann方程来统一描述,我们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眦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W1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．