[發明專利]基于全局穩定性分析的高超聲速飛行器轉捩預測方法

有效

• 申請號: 202110507168.1
• 申請日: 2021-05-10
• 公開（公告）號: CN113221350B
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 張永明;周文強
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06T17/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種基于全局穩定性分析的高超聲速飛行器轉捩預測方法，通過以下步驟實現：步驟一，計算得到目標高超聲速飛行器表面的層流基本流場，得到三維邊界層；步驟二，對步驟一得到的基本流場的三維邊界層，在不同流向位置，進行二維全局穩定性分析，得到多個不穩定模態的增長率云圖；步驟三，計算步驟二得到的每個不穩定模態在每個流向位置的最大增長因子，用Nmax曲線表示出來，并對不同模態的Nmax曲線再次取包絡線得到Nmax_all曲線，表示出保守估計的不穩定模態的最大增長因子；步驟四，根據轉捩判據Nt預測目標高超聲速飛行器的轉捩位置。

技術領域：

本發明涉及飛行器轉捩預測技術領域，具體涉及一種高超聲速飛行器邊界層的轉捩預測方法，尤其涉及一種基于全局穩定性分析的高超聲速飛行器轉捩預測方法。

背景技術：

在高超聲速飛行條件下，層流區和湍流區的摩阻和熱流相差很多，如果可以準確預測轉捩位置，在設計高超聲速飛行器熱防護系統時，就可以避免完全按照湍流狀態進行保守設計而導致的飛行器重量過大的問題，從而大幅度提高飛行器的飛行距離和機動性，對于高超聲速飛行器的研發具有重要意義。

目前常采用的轉捩預測方法有：基于線性穩定性理論的半經驗的傳統eN方法、求解拋物化穩定性方程的方法(PSE)、直接數值模擬(DNS)和轉捩模式，其中，在工程應用中，eN方法通常被認為是預測轉捩位置的一種有效方法。

eN方法是一種基于線性穩定性理論的轉捩預測方法，傳統上針對的是一維剖面。它是通過計算不穩定波的線性增長倍數來預測轉捩的，其轉捩判據，即N的臨界值，往往依賴于實驗或者實際經驗給出，因此這是一種半理論半經驗的轉捩預測方法。

某一頻率擾動的幅值沿流向演化過程中的放大倍數可以用放大因子N的e指數，即e^N，來表示，表達式為：

因此放大因子N值的表達式為：

其中，ξ₀為積分的起始位置，ξ為積分路徑下游任一位置，A₀為初始位置ξ₀處擾動幅值，A為當地ξ處擾動幅值，-α_i為空間增長率。在不同頻率下都計算N值，然后得到不同頻率下N值的包絡線，即N_max曲線。針對N_max值可以根據實驗和實際經驗提出一個轉捩判據Nt，當N_max值達到Nt時，即認為轉捩發生。

傳統eN方法針對的是一維基本流剖面，在穩定性分析時僅考慮基本流剖面沿法向的變化。然而高超聲速飛行器表面基本流場多存在基本沿法向和展向均劇烈變化的區域，同一流向位置下是二維基本流剖面，此時傳統eN方法無法準確預測該區域的轉捩位置。因此亟需提出一種針對高超聲速飛行器的同時考慮基本流剖面沿法向和展向變化，即基于二維全局穩定性分析的轉捩預測方法。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種基于全局穩定性分析的高超聲速飛行器轉捩預測方法，該方法基于二維全局穩定性分析方法，考慮了基本流剖面同時沿法向和展向劇烈變化的特點，彌補了傳統的eN方法在此處只考慮基本流剖面沿法向變化的缺陷，同時將多個不穩定模態的N_max曲線再次取包絡線得到N_{max_all}曲線，得到了準確預測轉捩位置的轉捩判據Nt，解決了傳統eN方法工程應用的問題。本發明的技術解決方案：

一種基于全局穩定性分析的高超聲速飛行器轉捩預測方法，通過以下步驟實現：

步驟一，計算得到目標高超聲速飛行器表面的層流基本流場，得到三維邊界層；

步驟二，對步驟一得到的基本流場的三維邊界層，在不同流向位置，進行二維全局穩定性分析，得到多個不穩定模態的增長率云圖；