[發(fā)明專利]一種氣動熱-結(jié)構(gòu)熱傳導耦合非線性降階模型方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010564195.8
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111881629B
• 公開（公告）日: 2022-11-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王梓伊;劉磊;張偉偉;杜雁霞;魏東;肖光明;楊肖峰;向靜
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學;空氣動力學國家重點實驗室
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F119/14;G06F119/08;G06F111/10
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 李想

本發(fā)明公開了一種氣動熱?結(jié)構(gòu)熱傳導耦合非線性降階模型方法，屬于飛行動力學的技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括：S1：對結(jié)構(gòu)溫度場進行降階，構(gòu)建結(jié)構(gòu)溫度場降階模型，對結(jié)構(gòu)溫度場降階模型進行訓練，訓練完成后，任意時刻結(jié)構(gòu)溫度場可由低階向量表示；S2：對氣動熱?輻射場進行降階，并構(gòu)建輸入為Ma、H、α、輸出為熱載荷場低階向量的氣動熱?輻射場模型，對氣動熱?輻射場模型進行訓練，訓練完成后，氣動熱?輻射場模型可根據(jù)輸入條件快速輸出熱載荷場低階向量其中，Ma為來流馬赫數(shù)、H為飛行高度以及α為來流迎角；S3：時域熱傳導模擬，構(gòu)建時域熱傳導模型，以結(jié)構(gòu)溫度場低階向量和熱載荷場低階向量訓練時域熱傳導模型，訓練完成后，以進行時域熱傳導模擬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于飛行動力學的技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種氣動熱-結(jié)構(gòu)熱傳導耦合非線性降階模型方法，尤其涉及一種適用于熱氣動彈性分析的氣動熱-結(jié)構(gòu)熱傳導耦合非線性降階模型方法。

背景技術(shù)

在高超聲速飛行過程中，氣動加熱使得飛行器結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯溫升，導致強度和剛度損失，進而降低了抵御氣動載荷的能力，引發(fā)結(jié)構(gòu)變形和振動，形成威脅飛行安全的熱氣動彈性問題。模擬熱氣動彈性問題需要進行多學科耦合分析，其中氣動熱-結(jié)構(gòu)熱傳導耦合求解是熱氣動彈性分析重要的組成部分。目前，氣動熱求解主要依靠工程方法和數(shù)值方法，結(jié)構(gòu)熱傳導求解主要依靠數(shù)值模擬方法，其優(yōu)缺點如下表所示：

表1氣動熱、結(jié)構(gòu)熱傳導主流求解方法

由上表可見，氣動熱求解面臨精度和效率無法兼顧的困境，結(jié)構(gòu)熱傳導也缺乏高效的求解方法。為解決這個問題，F(xiàn)alkiewicz等借助結(jié)構(gòu)動力學模態(tài)降階的思路，提出了一種基于溫度場POD(Proper Orthogonal Decomposition,本征正交分解)基的氣動熱-結(jié)構(gòu)熱傳導耦合系統(tǒng)降階方法。該方法分為以下幾個步驟：

1)獲取結(jié)構(gòu)溫度場POD基：針對典型飛行彈道，基于數(shù)值模擬方法進行氣動熱-結(jié)構(gòu)熱傳導瞬態(tài)耦合分析，從分析結(jié)果中采集若干時刻的結(jié)構(gòu)溫度場作為“快照”(輸入)并進行POD分析，得到前k階結(jié)構(gòu)溫度場POD基，記為：

則任意時刻結(jié)構(gòu)溫度場T可由k階向量c表示：

其中，c＝[c₁,c₂,...c_k]^T。

2)結(jié)構(gòu)熱傳導方程降階：借助結(jié)構(gòu)溫度場POD基Φ，將數(shù)值計算中的熱傳導方程轉(zhuǎn)化為：

其中，C為比熱容矩陣、K為熱傳導矩陣、Q為外界對結(jié)構(gòu)的能量凈輸入。

令則(3)寫為：

由于(4)的階數(shù)為k，遠小于全階熱傳導方程自由度，因此熱傳導方程得到極大簡化。

3)構(gòu)建氣動熱降階模型：氣動熱是結(jié)構(gòu)的外部熱源，為(3)式中右端項Q的一部分。影響氣動熱分布的物理量有：來流馬赫數(shù)Ma、飛行高度H、來流迎角α、表面溫度場T_w。由于表面溫度場T_w為結(jié)構(gòu)溫度場T的一部分，亦可采用向量c表示：

T_w＝Φ_surfc(5)

其中，Φ_surf為只選取表面節(jié)點的溫度場POD基Φ。