[發明專利]火星進入器表面流動轉捩位置預測方法

有效

• 申請號: 202011592357.5
• 申請日: 2020-12-29
• 公開（公告）號: CN112613250B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 陳智;苗文博;李齊;程曉麗
• 申請（專利權）人: 中國航天空氣動力技術研究院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/15;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京思創大成知識產權代理有限公司 11614
• 代理人: 張立君

本發明公開了一種火星進入器表面流動轉捩位置預測方法，包括：基于火星大氣模型采用熱化學非平衡模型進行計算流體力學模擬，獲得火星進入器的繞流場數據；以火星進入器的型線作為基準生成轉捩預測網格，并將繞流場數據插值到轉捩預測網格獲得轉捩預測流場數據；基于轉捩預測流場數據計算流場總焓并獲得邊界層的外緣位置，沿壁面法向在邊界層內積分計算基于動量損失厚度的第一雷諾數，并計算基于粗糙度高度的第二雷諾數；將第一雷諾數和第二雷諾數作為轉捩準則，分別計算第一轉捩判據和第二轉捩判據，基于第一轉捩判據和第二轉捩判據獲取火星進入器表面流動的轉捩位置。提供了火星進入器表面流動轉捩位置預測方法。

技術領域

本發明涉及空氣動力學技術領域，更具體地，涉及一種火星進入器表面流動轉捩位置預測方法。

背景技術

邊界層轉捩對高超聲速飛行器的推進和熱防護系統設計有重要影響。但由于轉捩過程受到多種因素的影響，機理復雜，無論是理論分析、數值計算或風洞試驗，準確預測轉捩困難重重。

目前對于轉捩預測主要存在4種預測方法，分別是工程轉捩準則判定方法、e^N方法、轉捩模型方法、直接數值模擬方法/大渦模擬方法。

工程轉捩準則通過對風洞試驗及飛行試驗數據的分析，給出轉捩雷諾數的工程計算公式，其優點是方法簡單、可靠性高，缺點是其僅適用于導出該準則的風洞試驗的類似外形。

e^N方法是在流場中假設一小擾動，通過求解擾動傳輸方程，當擾動幅值達到原始擾動e^N倍時，認為流動發生轉捩，N值由試驗給出，其缺點是僅能預測轉捩過程的線性失穩過程。

轉捩模型方法是通過建立額外的表征湍流轉捩過程的變量輸運方程，試圖通過對轉捩過程的模化對轉捩進行預測，但其目前的魯棒性及適用性仍然存疑。

直接數值模擬方法/大渦模擬方法是對層流流場給以擾動，而后直接計算流動由層流發展成湍流過程，理論上直接數值模擬可以對轉捩過程進行精確預測，但因其計算量巨大，目前僅能對簡單外形如平板、錐的轉捩過程進行機理性研究。

發明內容

本發明的目的是提出一種火星進入器表面流動轉捩位置預測方法，克服現有轉捩預測方法無法適用于火星大氣的問題，提供了火星進入器表面流動轉捩位置預測方法。

為實現上述目的，本發明提出了一種火星進入器表面流動轉捩位置預測方法，包括：

基于火星大氣模型采用熱化學非平衡模型進行計算流體力學模擬，獲得所述火星進入器的繞流場數據；

以所述火星進入器的型線作為基準生成轉捩預測網格，并將所述繞流場數據插值到所述轉捩預測網格獲得轉捩預測流場數據；

基于所述轉捩預測流場數據計算流場總焓并獲得邊界層的外緣位置，沿壁面法向在所述邊界層內積分計算基于動量損失厚度的第一雷諾數，并計算基于粗糙度高度的第二雷諾數；

將所述第一雷諾數和所述第二雷諾數作為轉捩準則，分別計算第一轉捩判據和第二轉捩判據，基于所述第一轉捩判據和所述第二轉捩判據獲取所述火星進入器表面流動的轉捩位置。

本發明的有益效果在于：

本發明在流場模擬時使用真實火星大氣的氣體參數并采用熱化學非平衡模型進行模擬，結合了火星大氣成分影響，在對粗糙壁面進行分析時采用基于粗糙度高度的轉捩準則，同時綜合了壁面粗糙度的影響，能夠給出更準確的轉捩位置。

本發明的方法具有其它的特性和優點，這些特性和優點從并入本文中的附圖和隨后的具體實施方式中將是顯而易見的，或者將在并入本文中的附圖和隨后的具體實施方式中進行詳細陳述，這些附圖和具體實施方式共同用于解釋本發明的特定原理。

附圖說明