一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术技术

本发明专利技术涉及转捩实验数据拓展技术，本发明专利技术公开了一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，采用具有可靠理论支撑的稳定性分析手段对现有风洞实验与飞行试验数据，根据其来流雷诺数、攻角以及表面粗糙度等对横流转捩位置影响显著的来流参数或物性参数，在稳定性理论适用的范围内对上述参数进行改变，获得横流转捩位置的理论解，从而实现对实验数据的延拓。本发明专利技术相比飞行试验和风洞实验，具有成本低、容易实现和可靠性高的特点，作为对实验数据的补充和拓展，弥补了目前直接补充数据所具有的成本高、周期长、难度大的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术
本专利技术涉及转捩实验数据拓展
，尤其涉及一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术。
技术介绍
流体绕固体流动时，流体与固体相互发生作用的区域集中在固体壁面周围较薄的一层区域，称为边界层。边界层有层流与湍流两种流态，这两种流态对于作用在绕流物体壁面的气动力、气动热分布等方面存在巨大区别，状态区别是必须加以考虑的重要工程因素。由层流流态转变为湍流流态的过程称为转捩，如果能准确预测转捩，则能够确定流场中的层流、湍流状态区别。因此，转捩预测对于航空航天飞行器设计具有十分重要的意义。转捩分为多种类型(模态)，主要可以分为第一模态、第二模态、横流模态等。真实航空航天飞行器的三维边界层转捩中，横流模态转捩通常占据主导地位。对横流转捩的预测成为了航空航天飞行器表面转捩预测的关键技术。目前横流转捩预测的数值方法主要包括直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、稳定性分析以及转捩模型。DNS与LES计算量过大，稳定性分析具有可靠的理论背景，但需要根据不同工况针对N值进行多次标定，不具有普适性。转捩模型兼具计算资源需求低以及计算稳定可靠的特点，成为最具有工程应用前景的转捩预测手段。而横流转捩模型预测技术一大掣肘就是实验数据严重缺乏。横流转捩模型的开发需要大量可靠实验数据的支撑。横流转捩实验包括飞行试验与风洞实验。飞行试验是通过飞机、火箭等手段将实验模型在高空进行测试，由于飞行成本和测试成本高，基本上无法进行重复实验，导致了实验数据的匮乏。高马赫数风洞实验需要模拟真实飞行器的低噪声来流条件，同时需要具备一定的运行时间，全世界能达到该条件的风洞设备屈指可数，而这些风洞产出并公布的横流转捩实验数据更是乏善可陈。目前缺乏高效低成本的横流转捩实验数据拓展方法。针对现有实验数据的拓展，主要分为实验补充和理论拓展两种手段。直接采用飞行试验进行数据补充，成本奇高而难以承受。采用风洞实验进行数据补充，则需要在静音风洞中进行实验，同样存在难度大、成本高的问题。针对该现状，最具有可行性并且成本较低的方法是采用与转捩相关的稳定性理论对实验数据进行理论拓展。目前该领域研究较少，国内外未见针对转捩试验数据理论拓展方法的系统的论文或者报告。
技术实现思路
针对现有横流转捩风洞实验与飞行试验成本高、难度大的问题，本专利技术提出了一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，该技术相比飞行试验和风洞实验，具有成本低、容易实现和可靠性高的特点，作为对实验数据的补充和拓展，弥补了目前直接补充数据(直接采用风洞实验和飞行试验对实验数据进行补充)所具有的成本高、周期长、难度大的缺点。本专利技术的基本思路是采用具有可靠理论支撑的稳定性分析手段对现有风洞实验与飞行试验数据，根据其来流雷诺数、攻角以及表面粗糙度等对横流转捩位置影响显著的来流参数或物性参数，在稳定性理论适用的范围内对上述参数进行改变，获得横流转捩位置的理论解，从而实现对实验数据的延拓。本专利技术提出的一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，包括以下步骤：S1.获取少量实验数据：获取少量的风动实验与飞行试验数据，包括实验模型外形及其特征参数、来流马赫数Ma、来流雷诺数Re与表面粗糙度h；S2.实验数据层流解再现：根据实验模型外形绘制计算网格，设定边界条件，利用流场解算器展开层流计算，得到层流解；S3.采用eN方法获取各扰动频率下的N值分布：采用基于线性稳定性理论的转捩预测eN方法，对步骤S2获得的层流解进行稳定性分析，获得各频率扰动幅值增长率N值分布；S4.特定频率下的临界转捩N值：根据步骤S1中由实验数据已知的转捩位置，在对应状态的稳定性分析结果中获取转捩位置处0频率对应的特定N值，称为临界N值，即Ncrit；S5.延拓状态层流解：根据已知实验数据来流状态，对其中部分来流参数或物性参数予以固定，再对另一部分参数在Ncrit适用的范围内进行调整；以改变后的来流参数为输入条件，采用层流计算获得拓展的实验状态对应的流场层流解；S6.延拓状态N值分布：对步骤S5中计算得到的拓展状态流场层流解，进行与步骤S3相同的稳定性分析过程，获得延拓的实验状态下的飞行器物面全表面N值分布；S7.延拓状态的转捩位置：采用步骤S4获得的特定实验数据状态点的Ncrit值，在步骤S6中状态中相近的延拓状态点作N＝Ncrit的等值线，获得理论解的转捩阵面空间位置；S8.实验数据延拓：获得大量理论解转捩位置，实现对实验数据的延拓。进一步的，步骤S2中，在无扰动、无体积力与外部热源的情况下，层流流动控制方程的微分形式表示如下：其中ρ,u,v,w,e分别表示密度、x方向速度、y方向速度、z方向速度和单位质量气体总能量。进一步的，步骤S3包括以下子步骤：S31.在局部平行流假设下求解Orr-Sommerfeld方程，该方程是由N-S方程推导得出，针对粘性流动建立的研究平行流稳定性的小扰动方程：其中α,β,ω分别表示x向波数、z向波数和频率；S32.将上述方程在形式上简化为一阶形式，令则上述方程可简化为将矩阵A分解为并且有合并为：S33.通过求解广义特征值问题，定义x位置放大因子N＝ln[A(x)/A(x0)]，是在给定频率下，从失稳点到流向某位置x的扰动幅值放大因子，以此获得实验状态下物体全表面的N值分布，所述N值在特定实验状态点及状态空间中该点附近区域，能够用于判断转捩阵面。进一步的，步骤S2中，采用低网格量的计算网格和低时空精度的数值格式来计算层流解，获得流场空间区域的相关信息，包括密度、速度、温度与压力，实现对实验状态的层流解再现。进一步的，步骤S2中，所述流场解算器包括Chant2.0数值计算平台。进一步的，步骤S5中，所述已知实验数据来流状态包括：来流雷诺数Re、来流马赫数Ma、攻角AoA和表面粗糙度h。本专利技术的有益效果在于：由于传统实验数据拓展方法主要是直接采用风洞实验与飞行试验进行实验数据补充，具有成本高、周期长、可重复性差的特点。采用直接数值模拟(DNS)计算提供数据同样存在成本高、周期长、可实现性差的特点，而直接采用稳定性理论进行转捩位置预测，又存在N值需要在相同状态下多次标定的问题。本专利技术对上述两种技术进行了扬长避短，既避免了进行大量重复实验，又避免了多次标定N值。利用已有的实验数据，在来流参数状态点附近的理论解成立区间，采用稳定性理论进行数据拓展，充分利用了现有实验数据，并发挥了理论分析的可靠性，是一种低成本、高效率、易实现的横流转捩实验数据理论拓展技术。与传统横流转捩预测技术相比，本专利技术具有以下效果优点：(1)传统横流转捩预测技术未考虑表面粗糙度对横流转捩的影响，本专利技术在判据中直接引入了表面粗糙度影响因素；(2)与传统预测技术只适用于低速流动不同，本专利技术的转捩判据直接针本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，其特征在于，包括以下步骤：/nS1.获取少量实验数据：获取少量的风动实验与飞行试验数据，包括实验模型外形及其特征参数、来流马赫数Ma、来流雷诺数Re与表面粗糙度h；/nS2.实验数据层流解再现：根据实验模型外形绘制计算网格，设定边界条件，利用流场解算器展开层流计算，得到层流解；/nS3.采用eN方法获取各扰动频率下的N值分布：采用基于线性稳定性理论的转捩预测eN方法，对步骤S2获得的层流解进行稳定性分析，获得各频率扰动幅值增长率N值分布；/nS4.特定频率下的临界转捩N值：根据步骤S1中由实验数据已知的转捩位置，在对应状态的稳定性分析结果中获取转捩位置处0频率对应的特定N值，称为临界N值，即Ncrit；/nS5.延拓状态层流解：根据已知实验数据来流状态，对其中部分来流参数或物性参数予以固定，再对另一部分参数在Ncrit适用的范围内进行调整；以改变后的来流参数为输入条件，采用层流计算获得拓展的实验状态对应的流场层流解；/nS6.延拓状态N值分布：对步骤S5中计算得到的拓展状态流场层流解，进行与步骤S3相同的稳定性分析过程，获得延拓的实验状态下的飞行器物面全表面N值分布；/nS7.延拓状态的转捩位置：采用步骤S4获得的特定实验数据状态点的Ncrit值，在步骤S6中状态中相近的延拓状态点作N＝Ncrit的等值线，获得理论解的转捩阵面空间位置；/nS8.实验数据延拓：获得大量理论解转捩位置，实现对实验数据的延拓。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，其特征在于，包括以下步骤：
S1.获取少量实验数据：获取少量的风动实验与飞行试验数据，包括实验模型外形及其特征参数、来流马赫数Ma、来流雷诺数Re与表面粗糙度h；
S2.实验数据层流解再现：根据实验模型外形绘制计算网格，设定边界条件，利用流场解算器展开层流计算，得到层流解；
S3.采用eN方法获取各扰动频率下的N值分布：采用基于线性稳定性理论的转捩预测eN方法，对步骤S2获得的层流解进行稳定性分析，获得各频率扰动幅值增长率N值分布；
S4.特定频率下的临界转捩N值：根据步骤S1中由实验数据已知的转捩位置，在对应状态的稳定性分析结果中获取转捩位置处0频率对应的特定N值，称为临界N值，即Ncrit；
S5.延拓状态层流解：根据已知实验数据来流状态，对其中部分来流参数或物性参数予以固定，再对另一部分参数在Ncrit适用的范围内进行调整；以改变后的来流参数为输入条件，采用层流计算获得拓展的实验状态对应的流场层流解；
S6.延拓状态N值分布：对步骤S5中计算得到的拓展状态流场层流解，进行与步骤S3相同的稳定性分析过程，获得延拓的实验状态下的飞行器物面全表面N值分布；
S7.延拓状态的转捩位置：采用步骤S4获得的特定实验数据状态点的Ncrit值，在步骤S6中状态中相近的延拓状态点作N＝Ncrit的等值线，获得理论解的转捩阵面空间位置；
S8.实验数据延拓：获得大量理论解转捩位置，实现对实验数据的延拓。


2.根据权利要求1所述的一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，其特征在于，步骤S2中，在无扰动、无体积力与外部热源的情况下，层流流动控制方程的微分形式表示如下：








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【专利技术属性】
技术研发人员：张毅锋，向星皓，万兵兵，涂国华，陈坚强，袁先旭，
申请(专利权)人：空气动力学国家重点实验室，
类型：发明
国别省市：四川;51