[發明專利]一種高超聲速巡航飛行器全流場數值仿真方法及系統

有效

• 申請號: 202210562792.6
• 申請日: 2022-05-23
• 公開（公告）號: CN115081108B
• 公開（公告）日: 2023-05-23
• 發明（設計）人: 劉尊洋;洪啟一;趙佳慧;丁鋒;邵立;徐英;卞許聰;房明星
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙) 34115
• 代理人: 韓燕

本發明公開了一種高超聲速巡航飛行器全流場數值仿真方法及系統，首先建立彈體和近場尾焰一體化幾何模型和遠場尾焰幾何模型，彈體和近場尾焰一體化幾何模型進行非結構網格劃分，然后網格劃分后的彈體和近場尾焰一體化幾何模型進行數值仿真運算得到彈體與近場尾焰流場一體化數值仿真結果，遠場尾焰幾何模型進行結構網格劃分，然后網格劃分后的遠場尾焰幾何模型進行數值仿真運算得到遠場尾焰流場數值仿真結果。本發明通過彈體和近場尾焰流場一體化仿真和遠場尾焰插值遞推仿真，實現對高超聲速巡航飛行器彈體和尾焰流場的精確仿真，可以為目標紅外輻射特性研究和空氣動力效應等研究提供數據支撐。

技術領域

本發明涉及高超聲速巡航飛行器流場仿真技術領域，具體是一種高超聲速巡航飛行器全流場數值仿真方法及系統。

背景技術

高超聲速巡航飛行器以超燃沖壓發動機提供動力，通常在30km左右高度的臨近空間高速巡航，飛行速度超過5Ma，具有速度快、機動性強等特點。高超聲速巡航飛行器在臨近空間高速機動時的氣動加熱效應會導致彈體溫度急劇升高，再加上超燃沖壓發動機噴射出的高溫尾焰，使其成為強烈的紅外輻射源，為對其進行紅外遙感提供了條件。掌握其紅外輻射特性是開展研究紅外遙感研究的基礎，而計算紅外輻射需要準確計算高超聲速巡航飛行器彈體和尾焰的流場分布。鑒于此，準確計算高超聲速巡航飛行器全流場分布具有重要意義。

高超聲速巡航飛行器全流場主要包括彈體流場和尾焰流場兩部分，由于尾焰區域狹長，通常又將尾焰分為近場尾焰和遠場尾焰。高超聲速巡航飛行器流場數值仿真，主要是利用數值仿真方法，計算彈體表面及周圍氣體的溫度、壓強等分布，以及計算尾焰中溫度、輻射氣體含量、壓強等參數分布規律。高超聲速巡航飛行器彈體和尾焰流場分布計算涉及計算流體力學、氣動熱力學、高溫氣體射流動力學、紅外輻射等理論，計算非常復雜。

申請號為201910128824.X的專利文件公開了一種高超聲速飛行器紅外輻射特性快速渲染方法、申請號為202010205506.1的專利文件公開了一種高超聲速飛行器頭錐熱環境高精度流-固耦合計算方法、申請號為201810007755.2的專利文件公開了一種高超聲速目標表面動態溫度建模方法，這三個公開專利都只計算了彈體流場分布，沒有提供尾焰流場計算方法，也沒有考慮尾焰流場與彈體流場的耦合影響。

戚均愷、董士奎發表的典型高超聲速目標輻射特性研究(戰術導彈技術,2021(5):17-28)中使用數值仿真方法分別仿真彈體和尾焰近場區域流場，沒有考慮彈體和尾焰的耦合作用，也沒有提供遠場尾焰的計算方法。

張筱嫻發表的碩士論文-高超聲速飛行器尾焰紅外輻射特性研究中，利用數值仿真技術仿真了高超聲速巡航飛行器尾焰流場分布，且使用拼接計算技術，仿真計算了遠場尾焰的流場分布，但是該文獻沒有考慮彈體對尾焰流場的耦合影響作用，且計算遠場流場時，要求遠場網格在與近場網格劃分相同，過于僵化。實際上，數值仿真時，網格的劃分密度應與物理場數據變化梯度相關，即在梯度大的區域使用加密網格，在梯度小的區域使用稀疏網格，尾焰遠場區域范圍大且梯度小，因此應使用稀疏網格，該方法要求遠場網格與近場網格結構一致，不利用在遠場流場變化緩慢時，使用更加稀疏網格，計算效率低。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種高超聲速巡航飛行器全流場數值仿真方法及系統，通過彈體和近場尾焰流場一體化仿真和遠場尾焰插值遞推仿真，實現對高超聲速巡航飛行器彈體和尾焰流場的精確仿真，可以為目標紅外輻射特性研究和空氣動力效應等研究提供數據支撐。

本發明的技術方案為：

一種高超聲速巡航飛行器全流場數值仿真方法，具體包括有以下步驟：

(1)、高超聲速巡航飛行器幾何模型的構建：基于高超聲速巡航飛行器的物理結構以及尾焰分布規律，構建高超聲速巡航飛行器的彈體和近場尾焰一體化幾何模型、以及遠場尾焰幾何模型；

(2)、網格劃分：彈體和近場尾焰一體化幾何模型采用非結構網格進行網格劃分，遠場尾焰幾何模型采用結構網格進行網格劃分；