[发明专利]一种降低凸起物气动热干扰的局部外形优化方法

说明书

本发明提供了一种降低凸起物气动热干扰的局部外形优化方法，包括以下步骤：获得凸起物及附近舱体处的空间流场分布及表面热流分布；针对舱体凸起物处的流动结构开展分析，获得分离涡的大小并提取分离涡的尺寸特征；针对分离涡的尺寸特征在凸起物前方与舱体连接处进行外形优化；对优化后的流场结果和表面热流分布进行分析；若二维简化外形优化结果满足要求，使用真实三维外形验证结果也满足要求，则优化结束；若二维简化外形的优化不满足要求，则重新开始优化。本发明采用局部外形优化的方法对舱体局部高热流区域的热流量进行优化，可以大幅优化局部气动热环境，在根本上解决局部气动加热严酷的问题，减轻材料/结构的防隔热压力。

技术领域

本发明属于航天气动热设计领域，特别涉及一种降低凸起物气动热干扰的局部外形优化方法。

背景技术

飞行器或其他在空气中高速运动的物体，由于控制、通讯或结构设计方面等需要，常常在其表面安装有功能部件，导致飞行器等表面存在凸起物，如吊耳、电缆罩、天线窗口、腹鳍等，如图1为吊耳类凸起物。

飞行器等在高速运动过程中，凸起物会阻挡气流，从而使得高速气流形成激波并伴有分离、再附流动，产生剧烈的气动加热干扰，使得凸起物形成高热流的同时，在飞行器凸起物附近舱体也产生高热流，凸起物附近舱体的热流量值达到无凸起物处的数倍，对材料表面的防隔热设计产生很大的压力。

为解决凸起物局部的高热流给防隔热带来的问题，通常从防隔热本身考虑，局部加强该处的防隔热能力。局部防隔热能力加强一般通过增强材料性能或增大结构厚度两方面考虑，但材料性能的改进受制于材料制造工艺水平，结构厚道增加受制于舱体内部空间且难以从根本上解决问题。

因而，有必要进行提供一种高效率且高可靠性方法，解决飞行器等在空气中高速运行物体表面凸起物对舱体产生的气动热干扰问题，降低凸起物及附近舱体的局部热流带来的超温或烧蚀的不利影响，减轻材料/结构的防隔热压力。

发明内容

针对飞行器等在空气中高速运行物体表面凸起物对舱体产生的气动热干扰问题，本发明人进行了锐意研究，提供了一种降低凸起物气动热干扰的局部外形优化方法，从降低凸起物及附近舱体的局部热流入手，采用局部外形优化的方法对舱体局部高热流区域的热流量进行优化，通过优化凸起物的局部外形，改善流动，从而达到减小凸起物及附近舱体的局部热流的目的，流场一旦达到改善的效果可以大幅优化局部气动热环境，从而在根本上解决局部气动加热严酷的问题，减轻材料/结构的防隔热压力，从而完成本发明。

本发明提供了的技术方案如下：

一种降低凸起物气动热干扰的局部外形优化方法，包括：包括以下步骤：

步骤1，将飞行器舱体和舱体表面凸起物简化为二维压缩拐角结构，根据飞行器飞行状态采用CFD方法进行数值模拟，获得凸起物及附近舱体处的空间流场分布及表面热流分布；

步骤2，针对舱体凸起物处的流动结构开展分析，获得分离涡的大小并提取分离涡的尺寸特征；

步骤3，针对分离涡的尺寸特征在凸起物前方与舱体连接处进行外形优化；

步骤4，使用二维简化外形对优化后的外形重新进行数值模拟，对优化后的流场结果和表面热流分布进行分析，与优化前的数据进行比较；

步骤5，若二维简化外形优化结果满足要求，使用真实三维外形验证结果也满足要求，则优化结束；若二维简化外形的优化不满足要求，则返回第3)步重新开始优化。

根据本发明提供的一种降低凸起物气动热干扰的局部外形优化方法，具有以下有益效果：

(1)本发明对凸起物空间流场分布进行了研究，摒弃了传统的单纯从防隔热出发解决凸起物带来的局部高热流、产生防隔热压力问题，从降低凸起物及附近舱体的局部热流入手，采用局部外形优化的方法对舱体局部高热流区域的热流量进行优化，改善效果明显，可以大幅优化局部气动热环境；