高超声速磁流体数值模拟研究
2014-03-12卜少科薛雅心
卜少科 薛雅心
摘 要： 高超声速流动情况下，气流经过强激波后温度升高，发生电离和离解，导致局部存在等离子流并进而产生诱导磁场和电场，流动经过与磁场、电场的相互作用变得更加复杂。如果在高超速流场中人为加入磁场，则可以改变流场结构，实现对流动的控制，达到减阻、热防护等目的。首先完成了磁流体力学控制方程推导，然后对FLUENT软件进行二次开发，使其具备磁流体力学控制方程即MHD的数值模拟能力，最后进行了高超声速钝头体MHD流动的数值模拟研究。
关键词： 高超声速； 磁流体力学； FLUENT； 阻力系数
中图分类号： TN972+.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0137?03
0 引 言
高超声速气流经过强烈的激波后，很大部分动能在短时间内转化为空气分子内能，空气分子的热运动加剧，导致高温真实气体效应，产生电离和离解，从而流动产生磁场。磁流体力学研究的是磁场作用下带电粒子的运动规律，所以很自然地可以运用到高超声速流场。在高超声速流场中人为地外加磁场就能改变流场的结构。磁流体力学的应用对高超声速飞行器可以带来以下作用：
减少飞器的阻力和热源：外加磁场使飞行器外部流场里的带电粒子受到洛伦兹力作用改变粒子运动，进而改变激波特性，使得激波脱体距离增加，波后流场参数的梯度减小。因此磁场干扰可以达到有效地改善飞行器的阻力和热防护的影响。
增加超燃发动机在非设计状态下的进气量：通过外加磁场的方法产生使粒子向发动机进气道内部运动，增加发动机的非设计状态的进气量，扩大发动机的有效工作范围。
产生额外能源：外加适当磁场可以使带电粒子流动产生电能，此方法可以为高超声速飞行器在飞行中补充电能。
磁流体力学对超高声速飞行器的应用不仅仅局限于以上例子。由于真实的实验需要风洞速度达到高超声速等极其苛刻条件，难于直接实验，所以采用数字模拟研究，能为基础研究提供一些理论依据。
1 磁流体力学方程及求解方法
1.1 磁流体力学控制方程[1]
4 结 论
本文运用FLUENT软件的用户自定义函数功能，进行了软件的二次开发，在N?S方程基础上增加了电磁场控制方程的求解功能，从而实现了MHD方程的数值求解。运用所开发的程序模块，研究了外加磁场对高超声速钝头体流动的影响，计算结果表明外加适当的磁场，可以使高超声速飞行器的激波强度减弱，驻点压力降低，阻力系数减小。
参考文献
[1] 潘勇.高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.
[2] 安德森.空气动力学基础[M].4版.北京：航空工业出版社，2010.
[3] 李凤蔚.空气与气体动力学引论[M].西安：西北工业大学出版社，2007.
[4] 陆志良.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[5] 郑波.天地往返运输系统高超声速系统绕流的数值模拟[D].北京：北京航空航天大学，1998.
[6] 杨银军，窦志国，段立伟.超声速来流中横向喷流角度对流动与混合特性的影响[J].现代电子技术，2013，36（17）：151?154.
摘 要： 高超声速流动情况下，气流经过强激波后温度升高，发生电离和离解，导致局部存在等离子流并进而产生诱导磁场和电场，流动经过与磁场、电场的相互作用变得更加复杂。如果在高超速流场中人为加入磁场，则可以改变流场结构，实现对流动的控制，达到减阻、热防护等目的。首先完成了磁流体力学控制方程推导，然后对FLUENT软件进行二次开发，使其具备磁流体力学控制方程即MHD的数值模拟能力，最后进行了高超声速钝头体MHD流动的数值模拟研究。
关键词： 高超声速； 磁流体力学； FLUENT； 阻力系数
中图分类号： TN972+.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0137?03
0 引 言
高超声速气流经过强烈的激波后，很大部分动能在短时间内转化为空气分子内能，空气分子的热运动加剧，导致高温真实气体效应，产生电离和离解，从而流动产生磁场。磁流体力学研究的是磁场作用下带电粒子的运动规律，所以很自然地可以运用到高超声速流场。在高超声速流场中人为地外加磁场就能改变流场的结构。磁流体力学的应用对高超声速飞行器可以带来以下作用：
减少飞器的阻力和热源：外加磁场使飞行器外部流场里的带电粒子受到洛伦兹力作用改变粒子运动，进而改变激波特性，使得激波脱体距离增加，波后流场参数的梯度减小。因此磁场干扰可以达到有效地改善飞行器的阻力和热防护的影响。
增加超燃发动机在非设计状态下的进气量：通过外加磁场的方法产生使粒子向发动机进气道内部运动，增加发动机的非设计状态的进气量，扩大发动机的有效工作范围。
产生额外能源：外加适当磁场可以使带电粒子流动产生电能，此方法可以为高超声速飞行器在飞行中补充电能。
磁流体力学对超高声速飞行器的应用不仅仅局限于以上例子。由于真实的实验需要风洞速度达到高超声速等极其苛刻条件，难于直接实验，所以采用数字模拟研究，能为基础研究提供一些理论依据。
1 磁流体力学方程及求解方法
1.1 磁流体力学控制方程[1]
4 结 论
本文运用FLUENT软件的用户自定义函数功能，进行了软件的二次开发，在N?S方程基础上增加了电磁场控制方程的求解功能，从而实现了MHD方程的数值求解。运用所开发的程序模块，研究了外加磁场对高超声速钝头体流动的影响，计算结果表明外加适当的磁场，可以使高超声速飞行器的激波强度减弱，驻点压力降低，阻力系数减小。
参考文献
[1] 潘勇.高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.
[2] 安德森.空气动力学基础[M].4版.北京：航空工业出版社，2010.
[3] 李凤蔚.空气与气体动力学引论[M].西安：西北工业大学出版社，2007.
[4] 陆志良.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[5] 郑波.天地往返运输系统高超声速系统绕流的数值模拟[D].北京：北京航空航天大学，1998.
[6] 杨银军，窦志国，段立伟.超声速来流中横向喷流角度对流动与混合特性的影响[J].现代电子技术，2013，36（17）：151?154.
摘 要： 高超声速流动情况下，气流经过强激波后温度升高，发生电离和离解，导致局部存在等离子流并进而产生诱导磁场和电场，流动经过与磁场、电场的相互作用变得更加复杂。如果在高超速流场中人为加入磁场，则可以改变流场结构，实现对流动的控制，达到减阻、热防护等目的。首先完成了磁流体力学控制方程推导，然后对FLUENT软件进行二次开发，使其具备磁流体力学控制方程即MHD的数值模拟能力，最后进行了高超声速钝头体MHD流动的数值模拟研究。
关键词： 高超声速； 磁流体力学； FLUENT； 阻力系数
中图分类号： TN972+.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0137?03
0 引 言
高超声速气流经过强烈的激波后，很大部分动能在短时间内转化为空气分子内能，空气分子的热运动加剧，导致高温真实气体效应，产生电离和离解，从而流动产生磁场。磁流体力学研究的是磁场作用下带电粒子的运动规律，所以很自然地可以运用到高超声速流场。在高超声速流场中人为地外加磁场就能改变流场的结构。磁流体力学的应用对高超声速飞行器可以带来以下作用：
减少飞器的阻力和热源：外加磁场使飞行器外部流场里的带电粒子受到洛伦兹力作用改变粒子运动，进而改变激波特性，使得激波脱体距离增加，波后流场参数的梯度减小。因此磁场干扰可以达到有效地改善飞行器的阻力和热防护的影响。
增加超燃发动机在非设计状态下的进气量：通过外加磁场的方法产生使粒子向发动机进气道内部运动，增加发动机的非设计状态的进气量，扩大发动机的有效工作范围。
产生额外能源：外加适当磁场可以使带电粒子流动产生电能，此方法可以为高超声速飞行器在飞行中补充电能。
磁流体力学对超高声速飞行器的应用不仅仅局限于以上例子。由于真实的实验需要风洞速度达到高超声速等极其苛刻条件，难于直接实验，所以采用数字模拟研究，能为基础研究提供一些理论依据。
1 磁流体力学方程及求解方法
1.1 磁流体力学控制方程[1]
4 结 论
本文运用FLUENT软件的用户自定义函数功能，进行了软件的二次开发，在N?S方程基础上增加了电磁场控制方程的求解功能，从而实现了MHD方程的数值求解。运用所开发的程序模块，研究了外加磁场对高超声速钝头体流动的影响，计算结果表明外加适当的磁场，可以使高超声速飞行器的激波强度减弱，驻点压力降低，阻力系数减小。
参考文献
[1] 潘勇.高超声速流场磁场干扰效应数值模拟方法研究[D].南京：南京航空航天大学，2007.
[2] 安德森.空气动力学基础[M].4版.北京：航空工业出版社，2010.
[3] 李凤蔚.空气与气体动力学引论[M].西安：西北工业大学出版社，2007.
[4] 陆志良.空气动力学[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[5] 郑波.天地往返运输系统高超声速系统绕流的数值模拟[D].北京：北京航空航天大学，1998.
[6] 杨银军，窦志国，段立伟.超声速来流中横向喷流角度对流动与混合特性的影响[J].现代电子技术，2013，36（17）：151?154.
