高超聲速磁流體數(shù)值模擬研究

卜少科　薛雅心

摘 要： 高超聲速流動(dòng)情況下，氣流經(jīng)過強(qiáng)激波后溫度升高，發(fā)生電離和離解，導(dǎo)致局部存在等離子流并進(jìn)而產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，流動(dòng)經(jīng)過與磁場(chǎng)、電場(chǎng)的相互作用變得更加復(fù)雜。如果在高超速流場(chǎng)中人為加入磁場(chǎng)，則可以改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)的控制，達(dá)到減阻、熱防護(hù)等目的。首先完成了磁流體力學(xué)控制方程推導(dǎo)，然后對(duì)FLUENT軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使其具備磁流體力學(xué)控制方程即MHD的數(shù)值模擬能力，最后進(jìn)行了高超聲速鈍頭體MHD流動(dòng)的數(shù)值模擬研究。

關(guān)鍵詞： 高超聲速； 磁流體力學(xué)； FLUENT； 阻力系數(shù)

中圖分類號(hào)： TN972+.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0137?03

0 引 言

高超聲速氣流經(jīng)過強(qiáng)烈的激波后，很大部分動(dòng)能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為空氣分子內(nèi)能，空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致高溫真實(shí)氣體效應(yīng)，產(chǎn)生電離和離解，從而流動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁流體力學(xué)研究的是磁場(chǎng)作用下帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以很自然地可以運(yùn)用到高超聲速流場(chǎng)。在高超聲速流場(chǎng)中人為地外加磁場(chǎng)就能改變流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。磁流體力學(xué)的應(yīng)用對(duì)高超聲速飛行器可以帶來以下作用：

減少飛器的阻力和熱源：外加磁場(chǎng)使飛行器外部流場(chǎng)里的帶電粒子受到洛倫茲力作用改變粒子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變激波特性，使得激波脫體距離增加，波后流場(chǎng)參數(shù)的梯度減小。因此磁場(chǎng)干擾可以達(dá)到有效地改善飛行器的阻力和熱防護(hù)的影響。

增加超燃發(fā)動(dòng)機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的進(jìn)氣量：通過外加磁場(chǎng)的方法產(chǎn)生使粒子向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的非設(shè)計(jì)狀態(tài)的進(jìn)氣量，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的有效工作范圍。

產(chǎn)生額外能源：外加適當(dāng)磁場(chǎng)可以使帶電粒子流動(dòng)產(chǎn)生電能，此方法可以為高超聲速飛行器在飛行中補(bǔ)充電能。

磁流體力學(xué)對(duì)超高聲速飛行器的應(yīng)用不僅僅局限于以上例子。由于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)需要風(fēng)洞速度達(dá)到高超聲速等極其苛刻條件，難于直接實(shí)驗(yàn)，所以采用數(shù)字模擬研究，能為基礎(chǔ)研究提供一些理論依據(jù)。

1 磁流體力學(xué)方程及求解方法

1.1 磁流體力學(xué)控制方程[1]

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用FLUENT軟件的用戶自定義函數(shù)功能，進(jìn)行了軟件的二次開發(fā)，在N?S方程基礎(chǔ)上增加了電磁場(chǎng)控制方程的求解功能，從而實(shí)現(xiàn)了MHD方程的數(shù)值求解。運(yùn)用所開發(fā)的程序模塊，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)高超聲速鈍頭體流動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果表明外加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，可以使高超聲速飛行器的激波強(qiáng)度減弱，駐點(diǎn)壓力降低，阻力系數(shù)減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘勇.高超聲速流場(chǎng)磁場(chǎng)干擾效應(yīng)數(shù)值模擬方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 安德森.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].4版.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3] 李鳳蔚.空氣與氣體動(dòng)力學(xué)引論[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[4] 陸志良.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 鄭波.天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)高超聲速系統(tǒng)繞流的數(shù)值模擬[D].北京：北京航空航天大學(xué)，1998.

[6] 楊銀軍，竇志國(guó)，段立偉.超聲速來流中橫向噴流角度對(duì)流動(dòng)與混合特性的影響[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（17）：151?154.

摘 要： 高超聲速流動(dòng)情況下，氣流經(jīng)過強(qiáng)激波后溫度升高，發(fā)生電離和離解，導(dǎo)致局部存在等離子流并進(jìn)而產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，流動(dòng)經(jīng)過與磁場(chǎng)、電場(chǎng)的相互作用變得更加復(fù)雜。如果在高超速流場(chǎng)中人為加入磁場(chǎng)，則可以改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)的控制，達(dá)到減阻、熱防護(hù)等目的。首先完成了磁流體力學(xué)控制方程推導(dǎo)，然后對(duì)FLUENT軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使其具備磁流體力學(xué)控制方程即MHD的數(shù)值模擬能力，最后進(jìn)行了高超聲速鈍頭體MHD流動(dòng)的數(shù)值模擬研究。

關(guān)鍵詞： 高超聲速； 磁流體力學(xué)； FLUENT； 阻力系數(shù)

中圖分類號(hào)： TN972+.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0137?03

0 引 言

高超聲速氣流經(jīng)過強(qiáng)烈的激波后，很大部分動(dòng)能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為空氣分子內(nèi)能，空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致高溫真實(shí)氣體效應(yīng)，產(chǎn)生電離和離解，從而流動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁流體力學(xué)研究的是磁場(chǎng)作用下帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以很自然地可以運(yùn)用到高超聲速流場(chǎng)。在高超聲速流場(chǎng)中人為地外加磁場(chǎng)就能改變流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。磁流體力學(xué)的應(yīng)用對(duì)高超聲速飛行器可以帶來以下作用：

減少飛器的阻力和熱源：外加磁場(chǎng)使飛行器外部流場(chǎng)里的帶電粒子受到洛倫茲力作用改變粒子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變激波特性，使得激波脫體距離增加，波后流場(chǎng)參數(shù)的梯度減小。因此磁場(chǎng)干擾可以達(dá)到有效地改善飛行器的阻力和熱防護(hù)的影響。

增加超燃發(fā)動(dòng)機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的進(jìn)氣量：通過外加磁場(chǎng)的方法產(chǎn)生使粒子向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的非設(shè)計(jì)狀態(tài)的進(jìn)氣量，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的有效工作范圍。

產(chǎn)生額外能源：外加適當(dāng)磁場(chǎng)可以使帶電粒子流動(dòng)產(chǎn)生電能，此方法可以為高超聲速飛行器在飛行中補(bǔ)充電能。

磁流體力學(xué)對(duì)超高聲速飛行器的應(yīng)用不僅僅局限于以上例子。由于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)需要風(fēng)洞速度達(dá)到高超聲速等極其苛刻條件，難于直接實(shí)驗(yàn)，所以采用數(shù)字模擬研究，能為基礎(chǔ)研究提供一些理論依據(jù)。

1 磁流體力學(xué)方程及求解方法

1.1 磁流體力學(xué)控制方程[1]

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用FLUENT軟件的用戶自定義函數(shù)功能，進(jìn)行了軟件的二次開發(fā)，在N?S方程基礎(chǔ)上增加了電磁場(chǎng)控制方程的求解功能，從而實(shí)現(xiàn)了MHD方程的數(shù)值求解。運(yùn)用所開發(fā)的程序模塊，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)高超聲速鈍頭體流動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果表明外加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，可以使高超聲速飛行器的激波強(qiáng)度減弱，駐點(diǎn)壓力降低，阻力系數(shù)減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘勇.高超聲速流場(chǎng)磁場(chǎng)干擾效應(yīng)數(shù)值模擬方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 安德森.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].4版.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3] 李鳳蔚.空氣與氣體動(dòng)力學(xué)引論[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[4] 陸志良.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 鄭波.天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)高超聲速系統(tǒng)繞流的數(shù)值模擬[D].北京：北京航空航天大學(xué)，1998.

[6] 楊銀軍，竇志國(guó)，段立偉.超聲速來流中橫向噴流角度對(duì)流動(dòng)與混合特性的影響[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（17）：151?154.

摘 要： 高超聲速流動(dòng)情況下，氣流經(jīng)過強(qiáng)激波后溫度升高，發(fā)生電離和離解，導(dǎo)致局部存在等離子流并進(jìn)而產(chǎn)生誘導(dǎo)磁場(chǎng)和電場(chǎng)，流動(dòng)經(jīng)過與磁場(chǎng)、電場(chǎng)的相互作用變得更加復(fù)雜。如果在高超速流場(chǎng)中人為加入磁場(chǎng)，則可以改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)流動(dòng)的控制，達(dá)到減阻、熱防護(hù)等目的。首先完成了磁流體力學(xué)控制方程推導(dǎo)，然后對(duì)FLUENT軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使其具備磁流體力學(xué)控制方程即MHD的數(shù)值模擬能力，最后進(jìn)行了高超聲速鈍頭體MHD流動(dòng)的數(shù)值模擬研究。

關(guān)鍵詞： 高超聲速； 磁流體力學(xué)； FLUENT； 阻力系數(shù)

中圖分類號(hào)： TN972+.4?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0137?03

0 引 言

高超聲速氣流經(jīng)過強(qiáng)烈的激波后，很大部分動(dòng)能在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為空氣分子內(nèi)能，空氣分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致高溫真實(shí)氣體效應(yīng)，產(chǎn)生電離和離解，從而流動(dòng)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁流體力學(xué)研究的是磁場(chǎng)作用下帶電粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，所以很自然地可以運(yùn)用到高超聲速流場(chǎng)。在高超聲速流場(chǎng)中人為地外加磁場(chǎng)就能改變流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。磁流體力學(xué)的應(yīng)用對(duì)高超聲速飛行器可以帶來以下作用：

減少飛器的阻力和熱源：外加磁場(chǎng)使飛行器外部流場(chǎng)里的帶電粒子受到洛倫茲力作用改變粒子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而改變激波特性，使得激波脫體距離增加，波后流場(chǎng)參數(shù)的梯度減小。因此磁場(chǎng)干擾可以達(dá)到有效地改善飛行器的阻力和熱防護(hù)的影響。

增加超燃發(fā)動(dòng)機(jī)在非設(shè)計(jì)狀態(tài)下的進(jìn)氣量：通過外加磁場(chǎng)的方法產(chǎn)生使粒子向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的非設(shè)計(jì)狀態(tài)的進(jìn)氣量，擴(kuò)大發(fā)動(dòng)機(jī)的有效工作范圍。

產(chǎn)生額外能源：外加適當(dāng)磁場(chǎng)可以使帶電粒子流動(dòng)產(chǎn)生電能，此方法可以為高超聲速飛行器在飛行中補(bǔ)充電能。

磁流體力學(xué)對(duì)超高聲速飛行器的應(yīng)用不僅僅局限于以上例子。由于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)需要風(fēng)洞速度達(dá)到高超聲速等極其苛刻條件，難于直接實(shí)驗(yàn)，所以采用數(shù)字模擬研究，能為基礎(chǔ)研究提供一些理論依據(jù)。

1 磁流體力學(xué)方程及求解方法

1.1 磁流體力學(xué)控制方程[1]

4 結(jié) 論

本文運(yùn)用FLUENT軟件的用戶自定義函數(shù)功能，進(jìn)行了軟件的二次開發(fā)，在N?S方程基礎(chǔ)上增加了電磁場(chǎng)控制方程的求解功能，從而實(shí)現(xiàn)了MHD方程的數(shù)值求解。運(yùn)用所開發(fā)的程序模塊，研究了外加磁場(chǎng)對(duì)高超聲速鈍頭體流動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果表明外加適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)，可以使高超聲速飛行器的激波強(qiáng)度減弱，駐點(diǎn)壓力降低，阻力系數(shù)減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 潘勇.高超聲速流場(chǎng)磁場(chǎng)干擾效應(yīng)數(shù)值模擬方法研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[2] 安德森.空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M].4版.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

[3] 李鳳蔚.空氣與氣體動(dòng)力學(xué)引論[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[4] 陸志良.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[5] 鄭波.天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)高超聲速系統(tǒng)繞流的數(shù)值模擬[D].北京：北京航空航天大學(xué)，1998.

[6] 楊銀軍，竇志國(guó)，段立偉.超聲速來流中橫向噴流角度對(duì)流動(dòng)與混合特性的影響[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（17）：151?154.