高空飞行器的气动特性模拟方法、装置、设备及介质制造方法及图纸

本申请涉及飞行器工程设计技术领域，特别涉及一种高空飞行器的气动特性模拟方法、装置、设备及介质，其中，方法包括：对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数；根据量化表面参数构建高空飞行器的模型，利用高空气体的模拟气体对高空飞行器的模型进行分子动力学模拟，得到模拟结果；根据模拟结果构建气固相互作用的适应系数修正模型修正高空飞行器在光滑表面与气体作用下的气动特性模拟结果，得到考虑固体表面粗糙特性的高空飞行器的气动特性模拟结果。由此，解决了相关技术中针对固体表面光滑的理想情形得到的适应系数直接应用于工程模拟会存在巨大的误差，无法满足实际工程模拟的需要等问题。无法满足实际工程模拟的需要等问题。无法满足实际工程模拟的需要等问题。

【技术实现步骤摘要】
高空飞行器的气动特性模拟方法、装置、设备及介质


[0001]本申请涉及飞行器工程设计
，特别涉及一种高空飞行器的气动特性模拟方法、装置、设备及介质。

技术介绍

[0002]空气动力学中，根据努森数Kn＝λ/L的大小，可以将流动划分为连续流动(Kn＜0.01)与稀薄流动(Kn＜0.01)，其中，λ为气体分子平均自由程，L为流动特征长度。随着飞行器飞行高度的提升，气体密度逐渐降低，气体分子平均自由程逐渐增大，稀薄气体效应的影响也逐渐显著起来。在上层大气层(海拔高度大于50km)条件下，飞行器的研究和设计必须要考虑稀薄气体效应的影响。
[0003]许多基于玻尔兹曼方程的粒子类数值方法，可以很好地模拟稀薄气体流动，通常需引入散射核模型来描述稀薄气体在固体表面的散射规律，利用多采用切向动量适应系数(Tangential Momentum Accommodation Coefficient，TMAC)、法向动量适应系数(NormalMomentum Accommodation Coefficient，NMAC)和能量适应系数(EnergyAccommodation Coefficient，EAC)来表征气体和固体表面之间的动量和能量交换，这些适应系数的测定对准确模拟稀薄气体流动具有相当重要的意义。随着经验力场的完善和计算机性能的提升，分子动力学(Molecular Dynamics，MD)模拟方法逐渐成为研究稀薄气体
‑
固体表面相互作用的主要手段之一，相关技术中的稀薄气体
‑
固体表面作用MD模拟研究多针对固体表面光滑的理想情形，得到的适应系数。
[0004]然而，飞行器表面必然存有一定粗糙度，通过将理想光滑表面的适应系数直接应用于工程模拟会导致相当大的误差，且真实固体表面粗糙是复杂而随机的，受计算规模的限制，MD模拟的空间尺度往往被限制在10nm量级，无法满足实际飞行器表面的粗糙度特征尺度。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种高空飞行器的气动特性模拟方法、装置、电子设备及介质，以解决相关技术中针对固体表面光滑的理想情形得到的适应系数直接应用于工程模拟会存在巨大的误差，无法满足实际工程模拟的需要等问题。
[0006]本申请第一方面实施例提供一种高空飞行器的气动特性模拟方法，包括以下步骤：对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数；根据所述量化表面参数构建所述高空飞行器的模型，利用高空气体的模拟气体对所述高空飞行器的模型进行分子动力学模拟，得到模拟结果；根据所述模拟结果构建气固相互作用的适应系数修正模型，利用所述适应系数修正模型修正所述高空飞行器在光滑表面与气体作用下的气动特性模拟结果，得到考虑固体表面粗糙特性的所述高空飞行器的气动特性模拟结果。
[0007]可选地，在本申请的一个实施例中，所述对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数，包括：利用第一至第三几何特征参数描述高空飞行器的粗
糙表面几何特征，其中，第一几何参数表示表面凸起的特征尺寸，第二几何参数表示表面凹陷的特征尺寸，第三几何参数表示凸起/凹陷的特征高度/深度；根据所述第一几何参数和所述第三几何参数定义无量纲粗糙因子，并根据所述第一几何参数和所述第二几何参数定义无量纲面积分数，其中，所述无量纲粗糙因子用于表示凸起相对高度，所述无量纲面积分数用于表示凸起面积占总面积的相对比例。
[0008]可选地，在本申请的一个实施例中，所述适应系数修正模型包括第一至第三修正模型，其中，
[0009]第一模型用于修正切向动量适应系数，所述第一模型为：
[0010]TMAC
r
＝TMAC
s
+δ
T
(a,r,f,TMAC
s
),
[0011][0012]其中，TMAC
s
为表面光滑情形的切向动量适应系数，TMAC
r
为表面粗糙情形的切向动量适应系数，δ
T
为考虑了表面粗糙引入的切向动量适应系数修正因子，a表示所述第一几何参数，r表示所述无量纲粗糙因子，f表示所述无量纲面积分数；
[0013]第二修正模型用于修正切向动量适应系数，所述第二修正模型为：
[0014]NMAC
r
＝NMAC
s
+δ
N
(a,r,f,NMAC
s
),
[0015][0016]其中，NMAC
s
为表面光滑情形的切向动量适应系数，NMAC
r
为表面粗糙情形的切向动量适应系数，δ
N
为考虑了表面粗糙引入的切向动量适应系数修正因子；
[0017]第三修正模块用于修正能量适应系数，所述第三修正模块为：
[0018]EAC
r
＝EAC
s
+δ
E
(a,r,f,EAC
s
),
[0019]δ
E
＝0.06EAC
s
(a/1)
0.61
r
0.73
,
[0020]其中，EAC
s
为表面光滑情形的能量适应系数，EAC
r
为表面粗糙情形的能量适应系数，δ
E
为考虑了表面粗糙引入的能量适应系数修正因子。
[0021]可选地，在本申请的一个实施例中，所述利用高空气体的模拟气体对所述高空飞行器的模型进行分子动力学模拟，得到模拟结果，包括：获取基于气体动理论的气体速度和能量概率密度分布；根据所述气体速度和所述能量概率密度分布抽样出单个气体分子的运动状态，并根据所述单个气体分子的运动状态模拟所述单个气体分子与固体表面的碰撞，通过多次单气体分子与固体表面碰撞模拟，得到模拟结果。
[0022]本申请第二方面实施例提供一种高空飞行器的气动特性模拟装置，包括：描述模块，用于对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数；构建模块，用于根据所述量化表面参数构建所述高空飞行器的模型，利用高空气体的模拟气体对所述高空飞行器的模型进行分子动力学模拟，得到模拟结果；模拟模块，用于根据所述模拟结果构建气固相互作用的适应系数修正模型，利用所述适应系数修正模型修正所述高空飞行器在光滑表面与气体作用下的气动特性模拟结果，得到考虑固体表面粗糙特性的所述高空飞行器的气动特性模拟结果。
[0023]可选地，在本申请的一个实施例中，所述描述模块进一步用于利用第一至第三几何特征参数描述高空飞行器的粗糙表面几何特征，其中，第一几何参数表示表面凸起的特征尺寸，第二几何参数表示表面凹陷的特征尺寸，第三几何参数表示凸起/凹陷的特征高
度/深度；根据所述第一几何参数和所述第三几何参数定义无量纲粗糙因子，并根据所述第一几何参数和所述第二几何参数定义无量纲面积分数，其中，所述无量纲粗糙因子用于表示凸起相对高度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高空飞行器的气动特性模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数；根据所述量化表面参数构建所述高空飞行器的模型，利用高空气体的模拟气体对所述高空飞行器的模型进行分子动力学模拟，得到模拟结果；根据所述模拟结果构建气固相互作用的适应系数修正模型，利用所述适应系数修正模型修正所述高空飞行器在光滑表面与气体作用下的气动特性模拟结果，得到考虑固体表面粗糙特性的所述高空飞行器的气动特性模拟结果。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数，包括：利用第一至第三几何特征参数描述高空飞行器的粗糙表面几何特征，其中，第一几何参数表示表面凸起的特征尺寸，第二几何参数表示表面凹陷的特征尺寸，第三几何参数表示凸起/凹陷的特征高度/深度；根据所述第一几何参数和所述第三几何参数定义无量纲粗糙因子，并根据所述第一几何参数和所述第二几何参数定义无量纲面积分数，其中，所述无量纲粗糙因子用于表示凸起相对高度，所述无量纲面积分数用于表示凸起面积占总面积的相对比例。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述适应系数修正模型包括第一至第三修正模型，其中，第一模型用于修正切向动量适应系数，所述第一模型为：TMAC
r
＝TMAC
s
+δ
T
(a,r,f,TMAC
s
),其中，TMAC
s
为表面光滑情形的切向动量适应系数，TMAC
r
为表面粗糙情形的切向动量适应系数，δ
T
为考虑了表面粗糙引入的切向动量适应系数修正因子，a表示所述第一几何参数，r表示所述无量纲粗糙因子，f表示所述无量纲面积分数；第二修正模型用于修正切向动量适应系数，所述第二修正模型为：NMAC
r
＝NMAC
s
+δ
N
(a,r,f,NMAC
s
),其中，NMAC
s
为表面光滑情形的切向动量适应系数，NMAC
r
为表面粗糙情形的切向动量适应系数，δ
N
为考虑了表面粗糙引入的切向动量适应系数修正因子；第三修正模块用于修正能量适应系数，所述第三修正模块为：EAC
r
＝EAC
s
+δ
E
(a,r,f,EAC
s
),δ
E
＝0.06EAC
s
(a/1)
0.61
r
0.73
,其中，EAC
s
为表面光滑情形的能量适应系数，EAC
r
为表面粗糙情形的能量适应系数，δ
E
为考虑了表面粗糙引入的能量适应系数修正因子。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用高空气体的模拟气体对所述高空飞行器的模型进行分子动力学模拟，得到模拟结果，包括：获取基于气体动理论的气体速度和能量概率密度分布；根据所述气体速度和所述能量概率密度分布抽样出单个气体分子的运动状态，并根据所述单个气体分子的运动状态模拟所述单个气体分子与固体表面的碰撞，通过多次单气体
分子与固体表面碰撞模拟，得到模拟结果。5.一种高空飞行器的气动特性模拟装置，其特征在于，包括：描述模块，用于对高空飞行器的粗糙表面几何特征进行参数化描述，得到量化表面参数；构建模块，用于根据所述量化表面参数构...

【专利技术属性】
技术研发人员：王兵，高瞻，孙卫涛，范文琦，靳旭红，
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：