飞行器表面壁面热流分解方法、分析方法、介质及设备技术

本发明专利技术公开了一种飞行器表面壁面热流分解方法、分析方法、介质及设备，属于空气动力学领域，包括步骤：S1，预处理：读取流场数据，利用考虑化学非平衡效应的内能方程对读取的流场数据进行预处理，获得飞行器表面流场变量；S2，壁面热流分解：将步骤S1预处理后得到的流场变量带入热流分解公式中，得到各能量输运过程影响表面热流的贡献值，从而确定影响热流的主导因素。本发明专利技术能够用于确定影响热流产生的主要贡献因素，从而指导飞行器热防护设计。从而指导飞行器热防护设计。从而指导飞行器热防护设计。

【技术实现步骤摘要】
飞行器表面壁面热流分解方法、分析方法、介质及设备


[0001]本专利技术涉及空气动力学领域，更为具体的，涉及一种飞行器表面壁面热流分解方法、分析方法、介质及设备。

技术介绍

[0002]针对飞行器在极端飞行工况下，飞行器表面会出现高温非平衡效应与边界层流动耦合作用的复杂流动环境，导致边界层内的热力学特性和动力学特性均发生变化。与完全气体相比，此时飞行器壁面热流不仅取决于壁面温度梯度，还会受到空气组分扩散的影响。
[0003]当前，飞行器表面的热流大都直接采用工程软件计算，无法建立热流产生与边界层内能量输运过程之间的定量联系，因此也难以确定边界层热流产生的主要影响因素。目前尚无考虑化学非平衡效应的热流分析手段可以定量分析不同能量输运机制的贡献。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种飞行器表面壁面热流分解方法、分析方法、介质及设备，能够用于确定影响热流产生的主要贡献因素，从而指导飞行器热防护设计。
[0005]本专利技术的目的是通过以下方案实现的：一种飞行器表面壁面热流分解方法，其特征在于，包括步骤：S1，预处理：读取流场数据，利用考虑化学非平衡效应的平均内能方程对读取的流场数据进行预处理，获得飞行器表面流场变量；S2，壁面热流分解：将步骤S1预处理后得到的流场变量带入热流分解公式中，得到各能量输运过程影响表面热流的贡献值，从而确定影响热流的主导因素。
[0006]进一步地，在步骤S1中，所述考虑化学非平衡效应的平均内能方程具体为：其中，为平均密度，t为时间，为平均内能，表示对求偏导数，为对时间的物质导数，为坐标，其中分别代表流向、壁面法向、展向，为热传导项，为湍流热通量，为质量扩散导致的能量输运，为粘性作用项，为压力
‑
胀量作用项。
[0007]进一步地，在步骤S2中，所述热流分解公式具体为：其中，为热传导项；
为湍流热输运项；为质量扩散热流项；为粘性作用项；为压力
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胀量作用项；为对流项；为流向不均匀项；引入热流系数：；其中，为来流密度，为无穷来流速度，代表对任意变量从壁面处到距离壁面无穷远处的法向积分；其中，下标“∞”表示来流状态，为密度，为热流系数，为壁面热流，为来流密度，为平均速度，y为壁面法向坐标，为壁面法向热传导作用，为壁面法向湍流热输运作用，为壁面法向质量扩散作用，为流向热传导作用，为流向湍流热输运作用，为流向质量扩散作用，为对时间的物质导数。
[0008]进一步地，在步骤S1中，预处理后的飞行器表面流场变量，包括速度、密度、温度、组分的平均值，以及包括梯度值，以及包括湍流脉动量。
[0009]进一步地，在步骤S1中，读取的流场数据为非定常流场数据。
[0010]进一步地，所述非定常流场数据包括气体组分质量分数。
[0011]一种飞行器表面壁面热流分析方法，基于如上所述的热流分解方法，并在步骤S2之后，包括步骤S3：比较步骤S2分解得到的热流结果与实际平均热流结果的差值，并根据比较结果反判断是否结束。
[0012]进一步地，在步骤S3中，包括子步骤：设定阈值，将所述差值与阈值比较，如差值小于阈值则结束；如果差值大于阈值，则重复执行步骤S1~S3，直至结束。
[0013]一种介质，存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上任一所述的方法。
[0014]一种设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现如上任一所述的方法。
[0015]本专利技术的有益效果包括：
本专利技术提出了考虑含化学非平衡效应的流场数据预处理，并据此利用能量输运项处理等建立了考虑含化学非平衡效应的热流分析方法，能够用于确定影响热流产生的主要贡献因素，从而指导飞行器热防护设计。
[0016]本专利技术提出的热流分解方法，能够精确建立热流产生与边界层中不同能量输运过程的定量联系，确定主导影响因素，有助于指导工程设计中有的放矢地实现热流控制。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为利用本专利技术实施例的热流分析研究步骤流程图；图2为Ma4.5高温非平衡湍流边界层DNS计算的瞬时密度梯度图及采样位置。
具体实施方式
[0019]本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
[0020]在寻求解决背景中技术问题的过程中，本专利技术发现：目前关于高温化学非平衡湍流边界层热流的研究，大多只能研究不同来流参数（如雷诺数）、不同壁温等因素对平均热流系数的影响，无法确定引起热流变化的主导能量输运过程。
[0021]实施例中，本专利技术提出一种基于高温化学非平衡流动内能方程的表面热流分解方法，包括以下几个步骤：（1）预处理：读入各个瞬时流场数据，从高温化学非平衡可压缩流动的内能方程出发对流场进行预处理，获得飞行器表面流动变量（如速度、密度、温度、组分）的平均值、梯度值、湍流脉动量等；（2）坐标变换：假设远离表面边界层的流体保持静止，对时间平均和Farve平均后的内能方程进行坐标变换，将方程和流场变量变换至相对坐标；（3）法向积分：对相对坐标系下的平均内能方程沿边界层法向进行积分，获得表面热流与平均内能方程中各能量输运项之间的定量关系；（4）定量分解：将步骤（1）预处理得到的流场变量带入定量积分关系式中，得到各能量输运过程对热流产生的贡献占比，确定影响热流的主要因素。
[0022]进一步的，以上步骤的流程图见图1。
[0023]步骤1：读入非定常流场数据，基于动量方程和能量方程得到内能输运方程，并对流场数据进行预处理：（1）预处理：读入各个瞬时流场数据，从高温化学非平衡可压缩流动的内能方程出发对流场进行预处理，获得飞行器表面流动变量（如速度、密度、温度、组分）的平均值、梯度值、湍流脉动量等；（2）坐标变换：假设远离表面边界层的流体保持静止，对时间平均和Farve平均后的内能方程进行坐标变换，将方程和流场变量变换至相对坐标；
（3）法向积分：对相对坐标系下的内能方程沿边界层法向进行积分，获得表面热流与内能方程中各能量输运项之间的定量关系；（4）定量分解：将步骤（1）预处理得到的流场变量带入定量积分关系式中，得到各能量输运过程对热流产生的贡献占比，确定影响热流的主要因素。
[0024]以上步骤的流程图见图1。
[0025]步骤1：读入非定常流场数据，基于动量方程和能量方程得到内能输运方程，并对流场数据进行预处理：在对表面热流分析之前，需要读入非定常流场数据，包括流场不同时刻的密度、流向速度、法向速度以及温度、气体组分质量分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器表面壁面热流分解方法，其特征在于，包括步骤：S1，预处理：读取流场数据，利用考虑化学非平衡效应的平均内能方程对读取的流场数据进行预处理，获得飞行器表面流场变量；S2，壁面热流分解：将步骤S1预处理后得到的流场变量带入热流分解公式中，得到各能量输运过程影响表面热流的贡献值，从而确定影响热流的主导因素。2.根据权利要求1所述的飞行器表面壁面热流分解方法，其特征在于，在步骤S1中，所述考虑化学非平衡效应的平均内能方程具体为：其中，为平均密度，t为时间，为平均内能，表示对求偏导数，为对时间的物质导数，为坐标，其中分别代表流向、壁面法向、展向，为热传导项，为湍流热通量，为质量扩散导致的能量输运，为粘性作用项，为压力
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胀量作用项。3.根据权利要求1所述的飞行器表面壁面热流分解方法，其特征在于，在步骤S2中，所述热流分解公式具体为：其中，为热传导项；为湍流热输运项；为质量扩散热流项；为粘性作用项；为压力
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胀量作用项；为对流项；为流向不均匀项；热流系数：；其中，为来流密度，为无穷来流速度，代表对任意变量从壁面处到
距离壁面无穷远处的法向积分；其中，下标“∞”表示来流状态，为密度，为热流系数，为壁面热流，为来流密度，为平均速度，y为壁面法向坐标，为壁面法向热传导作用，为壁面法向湍流热输...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘朋欣，李峻洋，孙东，李辰，余明，郭启龙，袁先旭，陈坚强，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：