[发明专利]一种考虑滑移修正的辐射平衡温度计算方法

说明书

本发明公开了一种考虑滑移修正的辐射平衡温度计算方法，主要用于在基于Navier‑Stokes控制方程组数值模拟高超声速滑移流动过程中，滑移温度边界和壁面辐射平衡温度边界的耦合处理过程。该方法在传统辐射平衡能量方程的基础上，引入壁面气体稀薄滑移温度修正，形成基于滑移温度的辐射平衡方程，通过隐式迭代求解滑移温度辐射平衡方程得到气体滑移温度，再通过表面温度滑移关系得到壁面辐射平衡温度分布。该方法较好地兼容了表面辐射能量平衡和表面温度稀薄滑移效应两种物理机制，计算稳定性好，收敛迅速。

技术领域

本发明涉及数值模拟计算领域，具体涉及高超声速稀薄滑移流动壁面辐射平衡温度的计算方法。

背景技术

壁面辐射平衡温度条件和表面气体温度滑移条件，是高超声速流动模拟中常用的两种温度边界条件。针对这两种边界条件，单独的研究较为常见：在使用壁面辐射平衡温度条件时，常忽略表面气体的稀薄滑移效应，即认为表面气体温度与壁面温度相同；而在考虑表面气体温度滑移效应时，则一般采用等温壁面条件，即壁面温度为某一固定的温度条件。二者的综合运用，较为少见。

随着飞行速度与高度的提高，在高空高焓条件下，飞行器壁面温度往往接近于辐射平衡温度，同时飞行器表面气体存在温度滑移现象（一般认为飞行高度60km以上出现）。精细模拟高空高焓高超声速流动时，需要同时考虑这两种物理机制。

一般来说，壁面辐射平衡温度可由迭代求解壁面温度的能量辐射平衡方程得到，而表面气体滑移温度则由壁面温度和表面气体温度梯度，通过气体滑移模型给出，因此二者的计算顺序通常为先由能量辐射平衡方程计算得到壁面温度，再由壁面温度通过滑移模型计算得到气体滑移温度。

这种方法对于高超声速稀薄滑移流动与壁面辐射平衡温度的解耦计算是适用的，但在二者耦合的数值模拟过程中，很容易出现非物理的振荡、不收敛甚至发散。这主要是由于在流动控制N-S方程每一步求解过程中，流场中非边界点微元的值是由N-S方程计算得到的，因此在壁面温度边界条件处理时，壁面次层网格微元的温度是一个已知的确定值。此时，在壁面温度边界处理的能量辐射平衡方程求解过程中，如果由于某种原因（如数值误差等）导致壁面温度出现非物理的波动，这一波动将通过滑移关系传导至气体滑移温度，从而使滑移温度出现波动；又由于“壁面次层微元的温度是一个的确定值且第一层壁面法向距离极小”，这将导致壁面热流的剧烈波动；而热流的剧烈波动有反过来影响能量辐射平衡方程的求解，从而使非物理波动迅速反馈放大，甚至导致计算失效、发散。

因此，仍有必要发展较为高效、稳定的考虑滑移修正的壁面辐射平衡温度计算方法。

发明内容

本发明的目的是先通过隐式迭代求解滑移温度辐射平衡方程得到气体滑移温度，避免传统方法的“误差迭代反馈放大”的问题，再通过表面温度滑移关系，反向计算得到壁面辐射平衡温度分布，兼容表面辐射能量平衡和表面温度稀薄滑移效应两种物理机制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

步骤一：从数值模拟过程中，获取壁面网格微元温度初值、气体滑移温度初值、壁面次层微元温度及其相关量；

步骤二：判断需要进行迭代计算的流场区域；

步骤三：对于需要进行迭代的流场区域，构建基于滑移温度的辐射平衡方程，通过隐式迭代计算滑移温度；

步骤四：判断迭代是否收敛；

步骤五：重复步骤三、四，直至迭代收敛，得到气体滑移温度，再由壁面气体温度滑移关系，计算得到壁面温度。

本发明主要用于高超声速滑移流动数值模拟过程中壁面温度边界的处理，这里流动数值模拟控制方程为考虑滑移效应的Navier-Stokes方程组。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：