[發(fā)明專利]一種考慮表面粗糙度效應(yīng)的高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910968111.4
• 申請(qǐng)日: 2019-10-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110702356B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 向星皓;張毅鋒;陳堅(jiān)強(qiáng);袁先旭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 空氣動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
• 主分類號(hào): G01M9/02
• 分類號(hào): G01M9/02;G06F30/28;G06F113/08
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 陳法君

本發(fā)明公開(kāi)了一種考慮表面粗糙度效應(yīng)的高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方法，所述高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方法基于令臨界橫流雷諾數(shù)和表面粗糙度滿足對(duì)數(shù)關(guān)系，并基于高超風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)CFD層流解得到高超聲速條件下不同粗糙度的轉(zhuǎn)捩臨界動(dòng)量厚度雷諾數(shù)，采用最小二乘法對(duì)關(guān)系系數(shù)進(jìn)行求解，得到判據(jù)關(guān)系式，并通過(guò)向現(xiàn)有γ?Re_θt轉(zhuǎn)捩模型動(dòng)量厚度輸運(yùn)方程中增加橫流源項(xiàng)D_SCF實(shí)現(xiàn)橫流轉(zhuǎn)捩的預(yù)測(cè)。由于γ?Re_θt轉(zhuǎn)捩模型本身是當(dāng)?shù)鼗Ｐ停鴻M流判據(jù)Re_SCF是通過(guò)迭代求得，不需要積分求解動(dòng)量厚度雷諾數(shù)，也實(shí)現(xiàn)了當(dāng)?shù)鼗Ｒ虼嗽摲椒ú簧婕胺钱?dāng)?shù)亓康挠?jì)算或者調(diào)用，預(yù)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了完全當(dāng)?shù)鼗m用于大規(guī)模并行計(jì)算。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于流動(dòng)預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及可預(yù)測(cè)不同物面粗糙度下的高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩位置的方法。

背景技術(shù)

在流體(氣體或液體)繞固體流動(dòng)時(shí)，流體與固體的相互作用區(qū)域主要發(fā)生在固壁外較薄的附面層中，該區(qū)域又被稱為邊界層。邊界層流動(dòng)具有兩種狀態(tài)：層流流態(tài)與湍流流態(tài)。這兩種流態(tài)在物體表面氣動(dòng)力分布、熱力分布和摻混作用等方面存在巨大差別。由層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^(guò)程稱為轉(zhuǎn)捩，轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)對(duì)于航空航天飛行器設(shè)計(jì)具有重要意義。轉(zhuǎn)捩過(guò)程是一個(gè)多因素耦合影響的復(fù)雜非線性過(guò)程，按模態(tài)可分為第一模態(tài)、第二模態(tài)、橫流模態(tài)等多種類型。在真實(shí)航空航天飛行器的三維外形邊界層轉(zhuǎn)捩中，橫流模態(tài)主導(dǎo)的轉(zhuǎn)捩(簡(jiǎn)稱橫流轉(zhuǎn)捩)常占據(jù)主導(dǎo)地位。因此對(duì)橫流轉(zhuǎn)捩的預(yù)測(cè)稱為飛行器表面轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。

在橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)方面，早在上世紀(jì)50年代，人民就根據(jù)橫流轉(zhuǎn)捩的風(fēng)洞試驗(yàn)，提出了相應(yīng)的橫流雷諾數(shù)轉(zhuǎn)捩判據(jù)。研究表明，基于10％橫流速度δ_10％的橫流雷諾數(shù)在亞音速后掠翼流動(dòng)中可以與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好關(guān)聯(lián)。較多研究人員隨后對(duì)該判據(jù)進(jìn)行了完善，提出如C1準(zhǔn)則、Kohama參數(shù)等橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)準(zhǔn)則(判據(jù))。隨著湍流模型與轉(zhuǎn)捩模型的提出，90年代之后至今，基于各類橫流判據(jù)又發(fā)展出多種橫流轉(zhuǎn)捩模型。

雖然部分橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)已用于工程實(shí)際，但該技術(shù)仍處在不斷發(fā)展完善的過(guò)程中，目前該類技術(shù)仍面臨一些問(wèn)題與局限性：

1.現(xiàn)有橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)普遍不適用于高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩。

由于橫流雷諾數(shù)判據(jù)是基于亞音速后掠翼風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的，因此以該判據(jù)為核心的橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)在高超聲速流動(dòng)中的適用性受限。高超聲速流動(dòng)的強(qiáng)間斷特性和壁溫效應(yīng)，以及不同于低速翼型的三維旋成體外形等因素使得傳統(tǒng)低速橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)在高超聲速流動(dòng)中不再適用。

2.現(xiàn)有的橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)較少能實(shí)現(xiàn)完全當(dāng)?shù)鼗?/p>

完全當(dāng)?shù)鼗侵冈跈M流轉(zhuǎn)捩的數(shù)值預(yù)測(cè)過(guò)程中，所有的計(jì)算量與參數(shù)均為本地的，不需調(diào)用其它計(jì)算格點(diǎn)信息或全場(chǎng)搜尋某物理量。基于橫流雷諾數(shù)的橫流轉(zhuǎn)捩判據(jù)，由于需要全場(chǎng)搜尋最大橫流速度以及特定速度對(duì)應(yīng)的邊界層內(nèi)位置，導(dǎo)致該判據(jù)及其對(duì)應(yīng)的橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)完全當(dāng)?shù)鼗７钱?dāng)?shù)鼗念A(yù)測(cè)技術(shù)在大規(guī)模并行計(jì)算中實(shí)現(xiàn)與推廣較為困難，影響了計(jì)算效率。

3.現(xiàn)有的高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)技術(shù)級(jí)別未考慮表面粗糙度對(duì)橫流轉(zhuǎn)捩的影響。

目前高超聲速橫流轉(zhuǎn)捩預(yù)測(cè)模型極少且適用范圍有限，均未引入表面粗糙度對(duì)橫流轉(zhuǎn)捩的影響。早期風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)未考慮物面粗糙度對(duì)橫流轉(zhuǎn)捩的影響。隨著風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和飛行試驗(yàn)測(cè)量手段的進(jìn)步，在亞音速與高超音速風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)定常橫流轉(zhuǎn)捩位置受物面粗糙度影響顯著。真實(shí)飛行條件下的轉(zhuǎn)捩往往由定常橫流不穩(wěn)定性主導(dǎo)，因此粗糙度對(duì)橫流轉(zhuǎn)捩的影響作為重要工程因素必須交考慮。

轉(zhuǎn)捩判斷標(biāo)準(zhǔn)：超聲速、高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的直接判斷方法是飛行器壁面摩擦系數(shù)Cf或者表面熱流Q這兩個(gè)物理量在空間上沿流線方向的突然升高，如圖1所示。轉(zhuǎn)捩開(kāi)始的位置判斷方法主要有兩種：其一為存在轉(zhuǎn)捩突躍的Cf曲線、熱流曲線的最低點(diǎn)(圖1轉(zhuǎn)捩起始位置1)，其二為層流曲線延長(zhǎng)線與突躍區(qū)間擬合直線的交點(diǎn)(圖1轉(zhuǎn)捩起始位置2)，本專利選取第一種判斷方法。