【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于飞行器热防护，尤其涉及一种非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法。
技术介绍
1、超高速飞行器在大气层内高速飞行时，会产生严重的气动加热现象，机体结构温度急剧升高，在非均匀热环境下，飞行器不同部位温度会有所差异，产生温差。当温度梯度过大时，会产生严重的热变形，引起结构刚度与强度的下降，严重影响飞行安全。同时，局部高温区温度可能超过材料熔点，超出材料的承受范围，造成结构破坏，因此，需要采取热防护措施调控结构温度。
2、传统的温度调控方法，为了包络危险点，通常对飞行器全机身进行大余度的均匀厚度设计，通过结构热沉在厚度方向的梯度变化调节厚度方向温差，以降低结构热变形，或者在机身全身表面均匀涂覆防热材料，降低全机身金属表面温度。以上方法虽然能有效调控飞行器结构温度，但全机身大余度的均匀厚度设计或涂覆防热材料，结构冗余过大，会显著增加飞行器重量，提高成本。
技术实现思路
1、本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，能有效地解决超高速飞行器局部结构温度过高、温度梯度过大、热变形严重问题。
2、为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，包括：
3、步骤1，获取飞行器弹道数据；
4、步骤2，根据飞行器弹道数据，进行非均匀热环境的数值计算，得到飞行器的表面热流和表面压力；
5、步骤3，将计算得到的飞行器的表面热流和表面压力
6、步骤4，插值后，通过数值计算得到飞行器舱段不同部位的温度分布结果；
7、步骤5，根据计算得到的飞行器舱段不同部位的温度分布结果，判断飞行器舱段不同部位的材料是否满足温度要求；
8、步骤6，根据判断结果，对飞行器舱段各部位进行优化设计。
9、在上述非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法中，飞行器弹道数据，包括：来流温度t∞、来流压力p∞和来流密度ρ∞。
10、在上述非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法中，根据飞行器弹道数据，进行非均匀热环境的数值计算，得到飞行器的表面热流和表面压力，包括：
11、确定三维非定常可压缩n-s方程组微分形式：
12、
13、其中，q表示守恒变量，f表示对流通量张量，g表示黏性通量张量，▽表示哈密顿算子；
14、在笛卡尔坐标系下，有：
15、q＝[ρ∞ ρ∞u ρ∞v ρ∞w ρ∞e]t···(2)
16、
17、
18、
19、其中，u、v和w分别表示x、y和z三个方向上的速度；和分别表示x、y和z三个方向上的热流通量；e表示单位质量的总能量，e表示单位质量的内能；h表示单位质量的焓，k表示热传导系数，pr表示普朗特数，cp表示定压比热，μ表示黏性系数；
20、黏性应力项τxx、τxy、τxz、τyx、τyy、τyz、τzx、τzy和τzz由牛顿流体和stokes假设导出：
21、
22、对于量热完全空气，热力学参数间的关系由状态方程确定：
23、
24、其中，r表示普适气体常数，r≈287j/(kg·k)；γ表示定压比热与定容比热的比值，γ≈1.4；pr≈0.72；
25、湍流状态下的黏性系数μ由湍流模型计算得到，层流情况下由sutherland公式给出：
26、
27、其中，μref表示参考黏性系数，μref＝1.7894×10-5kg/(m·s)；tref表示参考温度，tref＝228.15k；c表示sutherland常数，c＝110.4k；
28、在计算域ω中，进行网格划分，形成网格单元集合∪tj；对于网格单元集合∪tj中的某一网格单元tj，|tj|为网格单元体积，为守恒变量q在网格单元tj上平均值，在tj上对式(1)进行积分：
29、
30、其中，表示网格单元边界，n＝[nx ny nz]t表示网格单元界面外法向向量；
31、将式(9)表示为半离散形式：
32、
33、其中，ejk表示网格单元tj与其相邻单元tk之间的界面，|ejk|表示ejk的面积；和表示界面处沿界面外法向njk的对流通量和黏性通量，在数学上表征为通量张量在给定方向上的投影，即：
34、
35、通过求解式(10)获得网格单元tj上的守恒变量qj；
36、根据守恒变量qj，得到飞行器的表面热流和表面压力。
37、在上述非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法中，将计算得到的飞行器的表面热流和表面压力通过插值施加在飞行器舱段表面，包括：
38、确定热环境计算的表面网格节点q0i的坐标q0i(x,y,z)；其中，i＝1,2,3,...；
39、根据计算得到的飞行器的表面热流和表面压力，确定各表面网格节点q0i的表面热流q0i和表面压力p0i；
40、确定飞行器舱段表面网格节点qnj的坐标qnj(x,y,z)；其中，j＝1,2,3,...,j；j表示飞行器舱段表面网格节点的总数量；
41、当j＝1时，根据节点qn1的坐标qn1(x,y,z)和节点q0i的坐标q0i(x,y,z)，确定节点qn1与节点q0i之间的距离，进而确定节点q0i对节点qn1的权重，节点qn1与节点q0i之间的距离越远，节点q0i对节点qn1的权重越小；根据节点q0i对节点qn1的权重、节点q0i的表面热流q0i和表面压力p0i，计算得到节点qn1的表面热流qn1和表面压力pn1；
42、以此类推，计算得到节点qnj的表面热流qnj和表面压力pnj；
43、将qn1,qn2,...,qnj,...,qnj和pn1,pn2,...,pnj,...,pnj作为载荷加载到飞行器舱段表面对应节点上。
44、在上述非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法中，通过数值计算得到飞行器舱段不同部位的温度分布结果，包括：
45、定义飞行器舱段材料属性，包括：材料密度ρ和材料比热容c；
46、根据控制方程，有：
47、
48、其中，t表示温度，t表示时间；{v}表示热质量传输的速度矢量，{q}表示热通量矢量，表示单元热生成率；
49、由fourier定律，有：
50、{q}＝-[d]{l}t···(13)
51、
52、其中，kxx、kyy和kzz分别表示x、y和z方向上的热导率；
53、将式(13)代入式(12)，有：
54、
55、将热流加载到单元表面时，有：
56、{q}t{n}＝-q*···(16)
57、其中，{n}表示单本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，飞行器弹道数据，包括：来流温度T∞、来流压力p∞和来流密度ρ∞。
3.根据权利要求2所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，根据飞行器弹道数据，进行非均匀热环境的数值计算，得到飞行器的表面热流和表面压力，包括：
4.根据权利要求3所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，将计算得到的飞行器的表面热流和表面压力通过插值施加在飞行器舱段表面，包括：
5.根据权利要求4所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，通过数值计算得到飞行器舱段不同部位的温度分布结果，包括：
6.根据权利要求5所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，根据计算得到的飞行器舱段不同部位的温度分布结果，判断飞行器舱段不同部位的材料是否满足温度要求，包括：若舱段表面温度高于舱段使用材料最高承受温度，则舱段材料不满足温度要求；若舱
7.根据权利要求6所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，根据判断结果，对飞行器舱段各部位进行优化设计，包括：对于不满足温度要求的部位，按照如下策略进行调整，直至满足温度要求为止：
8.根据权利要求6所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，根据判断结果，对飞行器舱段各部位进行优化设计，包括：对于满足温度要求的部位，在不超过阈值的情况下，减少厚度，减轻机身总重，避免过大冗余，降低成本。
9.根据权利要求6所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，还包括：根据数值计算得到的飞行器舱段不同部位的温度分布结果，在温度梯度较大的区域，相应地调整厚度，降低温度梯度，以减少机身热变形和压力。
10.根据权利要求1所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，在完成对飞行器舱段各部位进行优化设计之后，重复步骤1～5，对优化结果进行验证，若优化结果达到要求，则结束；若优化结果达到要求，则重复执行步骤6。
...【技术特征摘要】
1.一种非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，飞行器弹道数据，包括：来流温度t∞、来流压力p∞和来流密度ρ∞。
3.根据权利要求2所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，根据飞行器弹道数据，进行非均匀热环境的数值计算，得到飞行器的表面热流和表面压力，包括：
4.根据权利要求3所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，将计算得到的飞行器的表面热流和表面压力通过插值施加在飞行器舱段表面，包括：
5.根据权利要求4所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，通过数值计算得到飞行器舱段不同部位的温度分布结果，包括：
6.根据权利要求5所述的非均匀热环境条件下结构温度调控优化设计方法，其特征在于，根据计算得到的飞行器舱段不同部位的温度分布结果，判断飞行器舱段不同部位的材料是否满足温度要求，包括：若舱段表面温度高于舱段使用材料最高承受温度，则舱段材料不满足温度要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘文君，韩海涛，陈智，罗晓光，高俊杰，聂榕序，白鹏，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：
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