一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法及系统，采用烧蚀质量引射特征及流场参数对内层粘性模型进行引射效应修正。首先对所述飞行器的全流场进行网格划分；基于流场参数计算壁面剪切应力τw，然后计算出摩擦速度uτ；基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度uτ计算参数y

A Turbulence Prediction Method and System for Aircraft Considering Mass Ejection Effect

【技术实现步骤摘要】
一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法及系统
本专利技术涉及一种考虑引射效应的飞行器湍流预测技术，属于飞行器气动特性设计

技术介绍
当前，被动式再入弹头多采用烧蚀热防护设计方案。再入端头的烧蚀、侵蚀问题的困难主要有两个方面：一个方面，烧蚀侵蚀问题是一项相当复杂的系统工程，它涉及气体动力学、热化学动力学、气动热力学、气动物理、材料、气象及统计等，是一个多学科、跨学科问题；另一个方面，导弹烧蚀侵蚀的热问题成败的时间量级是以秒为衡量单位的，几秒的时间就决定了导弹的命运。我国端头烧蚀侵蚀研究经过十几年的努力，随着第一代端头烧蚀防热问题的基本解决，随着硅基防热到碳基防热的转变，随着端头朝小型化、高精度、强突防和全天候方向的发展，有关烧蚀外形、烧蚀侵蚀、烧蚀与再入通讯、烧蚀滚转等许多新问题都提到日程上来了。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：提供了一种考虑引射效应的飞行器湍流预测方法及系统，采用烧蚀质量引射特征及流场参数对内层粘性模型进行引射效应修正，获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动力、热特性随质量引射量的变化规律。本专利技术的技术解决方案是：一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，包括以下步骤：(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分；(2)基于流场参数计算摩擦速度uτ；(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算y处的雷诺数y+；(4)基于飞行器表面引射速度Vw以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算参数(5)基于流场参数以及步骤(4)中给出的计算修正因子N*，并由此计算修正参数A+；(6)根据步骤(3)中给出的y+和步骤(5)中给出的中间参数A+，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。所述的步骤(2)基于流场参数计算摩擦速度uτ，具体公式为：其中，ρw为壁面密度，τw为壁面剪切应力。计算y处的雷诺数y+，具体公式为：其中，ρ为来流密度，μ为粘性系数，uτ为摩擦速度，y为飞行器表面第一层网格法向距离。为无量纲化参数，其计算方式为：其中，Vw为引射速度。计算修正因子N*，并由此计算修正参数A+，具体为：其中，N*为修正因子，且有：其中，ρw为壁面密度，μw为壁面粘性系数。计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，具体为：其中，k是Karman常数，且k＝0.4；A+为修正参数，Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型的内层模型：涡量绝对值其中，μi是内层粘性系数，x、y、z为流场三个坐标轴的方向，u、v、w为三个方向上的速度分量。一种基于所述考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法实现的飞行器湍流预测系统，包括：网格划分模块：对所述飞行器的全流场进行网格划分；摩擦速度计算模块：基于流场参数计算摩擦速度uτ；雷诺数计算模块：基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度uτ计算y处的雷诺数y+；修正因子及修正参数计算模块：基于飞行器表面引射速度Vw以及摩擦速度uτ计算参数进而计算修正因子N*，并由此计算修正参数A+；修正参数计算模块：根据雷诺数y+和修正参数A+，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正；飞行器湍流确定模块：对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。本专利技术与现有技术相比的优点：Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型采用分区的涡粘公式，用涡量取代变形率，并对混合长度做了近壁修正，经过大量的工程计算检验，该模型对大多数附体流动和弱分离流动都具有较高的准确性和可靠性；而且，B-L代数湍流模型的最大优点是计算量少，只要附加粘性模块，就可以利用通常的Navier-Stokes数值计算程序进行求解。本专利技术方法把烧蚀质量引射的影响通过修正Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型中的混合长度来考虑，进而在迭代求解过程中，把这个影响在气动力、摩阻、力矩等的计算中反映出来，并将该模型推广至三维情况，可以研究飞行器气动力、热特性随质量引射效应的变化规律。附图说明：图1：本专利技术方法流程图；图2：本专利技术方法飞行器计算模型示意图；图3：本专利技术方法飞行器计算网格示意图。具体实施方案导弹表面烧蚀材料直接与高温空气接触，材料的表面通过热解、燃烧、升华等等相变过程，从边界层吸收部分热量，同时烧蚀表面也有部分也有部分物质进入气体边界层，使边界层增厚而降低了热量，起到“热阻”的作用。在这里，我们把烧蚀质量引射的影响通过修正Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型中的混合长度来考虑，进而在迭代求解过程中，把这个影响在气动力、摩阻、力矩等的计算中反映出来。Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型采用分区的涡粘公式，用涡量取代变形率，并对混合长度做了近壁修正，经过大量的工程计算检验，该模型对大多数附体流动和弱分离流动都具有较高的准确性和可靠性；而且，B-L代数湍流模型的最大优点是计算量少，只要附加粘性模块，就可以利用通常的Navier-Stokes数值计算程序进行求解。本文在此基础上，引入烧蚀质量引射效应的影响，使B-L代数湍流模型能够模拟有烧蚀等引起的质量引射效应的气动特性，并将该模型推广至三维情况，可以研究飞行器气动特性随质量引射效应的变化规律。如图1所示，本专利技术提供了一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，采用烧蚀质量引射特征及流场参数对内层粘性模型进行引射效应修正。首先对所述飞行器的全流场进行网格划分；基于流场参数计算壁面剪切应力τw，然后计算出摩擦速度uτ；基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度uτ计算参数y+；基于飞行器表面引射速度Vw以及摩擦速度uτ计算参数基于流场参数以及的计算参数N*，并由此计算参数A+；根据y+和A+，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。具体步骤如图1所示：(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分，如图3所示；(2)基于流场参数计算壁面剪切应力τw，然后计算出摩擦速度uτ；具体公式为：其中，ρw为壁面密度，τw为壁面剪切应力。(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算y处的雷诺数y+；具体公式为：ρ为来流密度，μ为粘性系数，uτ为摩擦速度，y为计算点距离壁面的法向距离。(4)基于飞行器表面引射速度Vw以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算参数(5)基于流场参数以及步骤(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分；(2)基于流场参数计算摩擦速度uτ；(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算y处的雷诺数y

【技术特征摘要】
1.一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于包括以下步骤：(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分；(2)基于流场参数计算摩擦速度uτ；(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算y处的雷诺数y+；(4)基于飞行器表面引射速度Vw以及步骤(2)中给出的摩擦速度uτ计算参数(5)基于流场参数以及步骤(4)中给出的计算修正因子N*，并由此计算修正参数A+；(6)根据步骤(3)中给出的y+和步骤(5)中给出的中间参数A+，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。2.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：所述的步骤(2)基于流场参数计算摩擦速度uτ，具体公式为：其中，ρw为壁面密度，τw为壁面剪切应力。3.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：计算y处的雷诺数y+，具体公式为：其中，ρ为来流密度，μ为粘性系数，uτ为摩擦速度，y为飞行器表面第一层网格法向距离。4.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：为无量纲化参数，其计算方式为：其中，Vw为引射速度。5.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：计算修正因子N*，并由此计算修正参数A+，具体为：其中，N*为修正因子，且有：其中，ρw为壁面密度，μw为壁面粘性系数。6.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，具体为：其中，k是Karman常数，且k＝0.4；A+为修正参数，Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俊红，张亮，陈思员，程晓丽，沈清，俞继军，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11