[发明专利]火星进入器表面流动转捩位置预测方法

说明书

本发明公开了一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，包括：基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得火星进入器的绕流场数据；以火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将绕流场数据插值到转捩预测网格获得转捩预测流场数据；基于转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，沿壁面法向在边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，并计算基于粗糙度高度的第二雷诺数；将第一雷诺数和第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，基于第一转捩判据和第二转捩判据获取火星进入器表面流动的转捩位置。提供了火星进入器表面流动转捩位置预测方法。

技术领域

本发明涉及空气动力学技术领域，更具体地，涉及一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法。

背景技术

边界层转捩对高超声速飞行器的推进和热防护系统设计有重要影响。但由于转捩过程受到多种因素的影响，机理复杂，无论是理论分析、数值计算或风洞试验，准确预测转捩困难重重。

目前对于转捩预测主要存在4种预测方法，分别是工程转捩准则判定方法、e^N方法、转捩模型方法、直接数值模拟方法/大涡模拟方法。

工程转捩准则通过对风洞试验及飞行试验数据的分析，给出转捩雷诺数的工程计算公式，其优点是方法简单、可靠性高，缺点是其仅适用于导出该准则的风洞试验的类似外形。

e^N方法是在流场中假设一小扰动，通过求解扰动传输方程，当扰动幅值达到原始扰动e^N倍时，认为流动发生转捩，N值由试验给出，其缺点是仅能预测转捩过程的线性失稳过程。

转捩模型方法是通过建立额外的表征湍流转捩过程的变量输运方程，试图通过对转捩过程的模化对转捩进行预测，但其目前的鲁棒性及适用性仍然存疑。

直接数值模拟方法/大涡模拟方法是对层流流场给以扰动，而后直接计算流动由层流发展成湍流过程，理论上直接数值模拟可以对转捩过程进行精确预测，但因其计算量巨大，目前仅能对简单外形如平板、锥的转捩过程进行机理性研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，克服现有转捩预测方法无法适用于火星大气的问题，提供了火星进入器表面流动转捩位置预测方法。

为实现上述目的，本发明提出了一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，包括：

基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得所述火星进入器的绕流场数据；

以所述火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将所述绕流场数据插值到所述转捩预测网格获得转捩预测流场数据；

基于所述转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，沿壁面法向在所述边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，并计算基于粗糙度高度的第二雷诺数；

将所述第一雷诺数和所述第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，基于所述第一转捩判据和所述第二转捩判据获取所述火星进入器表面流动的转捩位置。

本发明的有益效果在于：

本发明在流场模拟时使用真实火星大气的气体参数并采用热化学非平衡模型进行模拟，结合了火星大气成分影响，在对粗糙壁面进行分析时采用基于粗糙度高度的转捩准则，同时综合了壁面粗糙度的影响，能够给出更准确的转捩位置。

本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明