[发明专利]一种高超声速流动‑传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法

说明书

技术领域

本发明涉及现代高速飞行器设计技术领域，特别涉及一种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法。

背景技术

高超声速飞行器的快速发展给热防护设计带来了更为严峻的挑战。准确的预测气动热/力环境、结构温度和应力状态，能够在提高飞行器安全性能的同时减小热防护系统设计冗余，对提高飞行器的性能有着极为重要的意义。

在现有技术中，传统的高超声速飞行器的热/力载荷环境的预测与热防护结构性能的分析基本还处于分离状态。现有技术中的方法一般都是首先在给定的等温壁面条件下进行流体计算，得到壁面热流或传热系数；然后将得到的热载荷作为边界条件加载到结构上进行热分析得到固体热分布；最后再根据该固体热分布计算得到结构的应力和应变。

现有技术中的上述方法实际上是把多物理场耦合的事实人为的分割成多个独立的物理场，并且也没有考虑各个物理场之间的相互作用。因此，在这种情况下，既无法得到精确的气动热/力载荷环境，也无法正确地评价热防护材料及其结构的服役特征。

高超声速飞行热防护设计是一个涉及到真实气体效应、耦合传热和结构热力响应的复杂的多物理场耦合问题，必须采用多场耦合的方法求解。但是，由于多物理场耦合问题的复杂性，还需要进一步开展分析方法研究，深刻把握防热系统多场耦合规律及其效应。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法，从而可以实现高超声速非平衡流动求解器与结构热/力全耦合求解器相耦合的多场耦合计算，使得对高超声速飞行器的气动热力环境和结构热力响应的预测更符合物理实际，并可保证计算精度。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法，该方法包括：

A、预先建立多物理场耦合模型并设置当前边界条件；

B、根据结构确定壁面温度和位移边界条件，在流体-固体耦合界面进行数据交换，得到流体区域的当前温度和位移边界条件；

C、根据所述流体区域的当前温度和位移边界条件，在流体区域同时求解预设的各个守恒方程的耦合解格式，在计算一个时间步Δt之后，得到当前的热流和压力；

D、根据当前的热流和压力，在流体-固体耦合界面进行数据交换，得到固体区域的边界条件；

E、根据所述固体区域的边界条件，在固体区域通过热力全耦合的方法进行求解，计算一个时间步Δt之后，得到壁面温度T_w和结构位移u_s；

F、判断是否满足预设的停止条件，如果是，则停止整个流程；否则，返回执行步骤B。

较佳的，所述设置当前边界条件包括：

由结构初始条件确定壁面温度和位移边界条件，进行高超声速稳态流动计算，同时求解预设的各个守恒方程的耦合解格式，得到初始热流和初始压力；

将所述初始热流和初始压力作为当前边界条件。

较佳的，所述数据交换包括：关联和插值。

较佳的，在进行数据交换时：

对于位移和温度采用最近邻居搜索方法计算；

对于压力和热流通量载荷则采用守恒插值方法。

较佳的，所述停止条件为：当前的计算周期为最后一个计算周期。

较佳的，所述各个守恒方程包括：

连续守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和组分守恒方程。

如上可见，通过使用本发明的高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法，可以解决传统方法中热/力载荷环境的预测与热防护结构性能分析互相分离的问题，从而实现高超声速非平衡流动求解器与结构热/力全耦合求解器相耦合的多场耦合计算，使得对高超声速飞行器的气动热力环境和结构热力响应的预测更符合物理实际；而且，由于本发明中考虑了真实气体效应、耦合传热和结构热力全耦合等复杂的效应，从而还可以大大提高高超声速飞行器热/力载荷环境和结构响应预测的计算精度。

附图说明

图1为本发明实施例中的高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法的流程示意图。

图2为本发明实施例中的多物理场耦合模型的示意图。

图3为本发明实施例中的耦合策略示意图。

图4为本发明实施例中的圆柱绕流计算模型。

图5为本发明实施例中计算得到的驻点温度随时间变化图。

图6为本发明实施例中计算得到的驻点热流随时间变化图。

图7为本发明实施例中计算得到的表面温度分布。