[发明专利]三维复杂外形高速飞行器流-固-热快速计算方法

权利要求书

1.一种三维复杂外形高速飞行器流-固-热快速计算方法，其特征在于，包括步骤如下：

步骤1、无粘外流场数值解；

步骤2、工程表面热流率计算；

步骤3、工程结构传热耦合计算；

步骤4、弹道状态动态插值方法；

步骤5、高温化学非平衡效应；

步骤1具体包括：

控制方程采用三维欧拉方程对无粘外流场求解，采用块结构网格机翼基于分布式并行计算技术，取无粘流场解结果中的物面参数作为边界层外缘参数提供给工程方法中的边界层简化算法，边界层简化算法用于快速计算飞行器表面热流及传热系数，输出的物面参数包括：坐标(m)、物面速度分量(m/s)、马赫数、压强(Pa)、密度(kg/m³)、静温(K)、总能(J/m³)；

步骤2具体包括：

三维复杂外形高速飞行器流-固-热快速计算方法针对的是全机外形，根据热流密度工程计算方法将飞行器表面热流的计算划分为驻点区和非驻点区两个区域，驻点区热流计算采用目前广泛使用的Fay-Riddell公式：

式中：ρ_w、μ_w、h_w分别表示物面密度、物面粘性系数和物面焓，ρ_s、μ_s分别为驻点密度及驻点粘性系数，h_D为平均空气电离焓，计算中取普朗特数

Pr＝0.71、路易斯数Le＝1.0；

非驻点区的热流密度计算公式采用的是平板传热模型；

步骤3具体包括：

热防护结构内表面采用绝热壁边界条件，依据防热结构材料的毕奥数B_i的大小，采不同的传热计算模型：

式中α为传热系数，δ为材料结构厚度，λ_δ为当前材料热传导系数；

当B_i＜0.1时，采用如下式所示的热薄壁传热模型：

初始条件为：

T_w|_t＝0＝T₀ (4)

式中ρ_δ、c_δ、ε分别为表示分别表示防热材料的密度、比热容和表面辐射系数；采用差分方法对式(3)进行加热时间t推进求解，得到热薄壁条件下热防护层温度随时间的变化，当B_i＞0.1时，采用热厚壁传热模型；将热厚壁由内而外分为j层进行逐层推进求解：

表层：

最内层：

中间层：

初始条件为：

T_j|_t＝0＝T₁|_t＝0＝T_n|_t＝0＝T₀ (8)

式中下标m为材料类型，n表示层数，λ_m为材料m的热传导系数，利用差分离散计算求得热厚壁条件下热防护结构各层材料的温度随时间变化的结果；

气动加热与结构传热过程的耦合特性：以物面温度T_w作为物面边界输入条件，然后通过公式(1)中热流计算公式计算得到表面热流密度q_n；而在计算结构传热时，又以热流密度q_n作为热边界条件，计算得到物面温度；在时间步t_n的求解中，以上一时间步t_n-1的物面温度作为本时间步的物面温度边界条件，采用公式(1)中热流计算公式进行边界层的气动加热计算，得出t_n时间步的热流密度然后以作为热边界输入条件提供给结构传热计算模块，计算得到t_n时间步的物面温度如此循环以实现结构传热和气动热环境的耦合计算；

步骤4具体包括：

三维复杂外形高速飞行器流-固-热快速计算方法利用无粘外流解动态插值方法提高耦合算法计算效率：通过已经预先完成的有限个无粘外流解的流场结果，插值得到当前弹道时间点上飞行条件下的流场解，以供气动加热与结构传热计算所需；

1)根据飞行器物面上的当地流场参数与来流参数的比值在不同飞行高度下几乎保持不变这一规律，对同一飞行器，已知某高度H₀下的边界层外缘参数P₀以及该高度下的流动参数P_inf0，同时已知任意高度下的大气参数P_infx，通过P_x＝P_infx×P₀/P_inf0的简单换算获得该飞行器在任意高度上的边界层外缘参数；

2)由1)，对于整个弹道状态，无粘外流解只需计算设定参考飞行高度下的两个马赫数和两个迎角，即4个计算状态，其他飞行状态则根据插值方法得到；这四个计算状态分别为设定飞行高度下的两个马赫数和两个迎角的组合，即：(Ma₁,α₁),(Ma₁,α₂),(Ma₂,α₁),(Ma₂,α₂)；与这四个状态所对应的飞行器表面任一点处的流动参数的值分别记作P₁₁、P₁₂、P₂₁、P₂₂，则某个弹道时间点上飞行条件(Ma_x,α_x)状态下的飞行器表面同一位置处的流动参数P_xx通过如下插值算法得到；

步骤5具体包括：

在实际高超声速飞行条件下，空气的高温非平衡效应对气动热影响显著，高温空气非平衡边界层驻点传热与平衡边界层驻点传热表面热通量的关系式表示为：

式中，下标O、N分别表示氧原子和氮原子，φ为壁面催化因子；h⁰为生成焓；C_O,s和C_N,s分别表示氧原子和氮原子的质量浓度；Le为路易斯数，取值范围1～2；对于组元参数特性，使用组元参数简化计算模型，在流场温度9000K以下时，只考虑O₂、O、O⁺、N₂、N、N⁺、NO、NO⁺、e^-9种组元及以下6个化学反应方程式：

①②

③④

⑤⑥

其中K_i为摩尔密度平衡常数；暂不考虑NO、NO⁺、e^-、N⁺、O⁺；

氧原子和氮原子的壁面催化因子有如下关系成立：

其中，[O₂]₀，[N₂]₀分别表示为空气中氧分子和氮分子的摩尔密度；联立式(11)、(12)与反应方程①、②求解，得到氧原子和氮原子的摩尔密度：

取一级近似φ_O＝φ_N＝0；联立反应方程①②③，得到[O₂]、[N₂]和[NO]的摩尔密度计算式为：

联立反应方程④⑤⑥和电荷守恒方程，得到电子的摩尔密度：

考虑高温化学非平衡效应下的气动加热计算方法修正为：首先由Fay-Riddell驻点热流密度计算公式(1)得到平衡条件下热流密度q_eq，然后根据化学反应计算模型得到各组元摩尔密度和质量分数，最后由驻点化学非平衡边界层与平衡边界层热流密度关系式(10)求得高温非平衡条件下的热流密度q_ne。