[发明专利]基于FVM-TLBFS方法的飞行器热防护结构热传导计算方法

说明书

本发明公开了基于FVM‑TLBFS方法的飞行器热防护结构热传导计算方法，首次将FVM‑TLBFS方法拓展应用至二维、三维结构热传导计算。针对热防护结构的传热与热应力/应变特性问题，利用现有的高效LBE模型，将其推广到结构热传导计算中，成功构造了二维、三维TLBFS通量求解器，用以求解结构热传导方程数值通量，并进行相应的数值算例验证。该方法求解结构热传导简单高效，能适用于复杂几何外形的结构热传导计算。同时，可将传统的基于有限体积法的一阶传热精度提高至二阶精度，为流场与结构传热一体化计算方法的建立提供方法支持。

技术领域

本发明涉及一种基于FVM-TLBFS方法的飞行器热防护结构二维、三维结构热传导计算方法，适用于二维、三维结构热传导的计算。

背景技术

高超声速飞行器在临近空间长时间飞行过程中会产生严重的气动加热，使结构内部温升显著增大，结构安全造成严重危害，从而使飞行器防热结构设计面临较大的挑战。在热防护问题中，结构传热一个基本的物理现象，热结构的热安全问题需要重点考虑：结构表面温度或加热量的限制；结构内部温度不超过材料工作温度和载荷运行温度范围；结构温度升高后依然能保持足够的强度，不发生结构破坏；结构位移变形保持在允许范围内，变形不影响活动部件(全动尾翼、活动舱盖等)的正常工作。高超声速流-固-热多场耦合问题分析必须考虑温度效应影响，结构传热与热应力/应变特性的有效预测是防热结构设计和结构安全评估的重要前提和基础。因此，开展热防护结构传热特性的数值模拟研究，分析总结防热结构的传热机理和规律，对于飞行器热防护设计十分重要。

20世纪80年代后期，随着计算机技术的飞速发展，计算机运行速度的越来越快，从介观层次开展流体力学的数值模拟方法开始逐步兴起。其中典型代表之一的格子Boltzman方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)自1988年提出以来得到研究人员的广泛关注，在近20余年的时间内得到了飞速的发展。与基于连续性假设的N-S方程不同的是，格子Boltzman方法是一种介于流体微观分子动力学计算方法和宏观连续方程计算方法之间的介观尺度流体计算力学方法，因此与传统CFD方法相比，格子Boltzman方法不受连续介质假设的限制，可实现跨尺度流动模拟。与宏观及微观计算流体力学方法相比，格子Boltzman方法具有物理意义清晰、流体相互作用描述简单、边界条件处理简单、程序易于实施、并行性能好、模型鲁棒性高的特点，目前已经被认为是描述流体运动与处理工程问题的有效手段。因此，在许多研究领域，例如可压缩/不可压缩流动、高超声速流动、多相流动、多孔介质流动、化学反应流动、稀薄气体流动等，基于格子Boltzman模型的数值方法都得到了很好的应用，而且也揭示了许多复杂流动问题的物理作用机理。