CN110309552A - 一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法及系统，采用烧蚀质量引射特征及流场参数对内层粘性模型进行引射效应修正。首先对所述飞行器的全流场进行网格划分；基于流场参数计算壁面剪切应力τ_w，然后计算出摩擦速度u_τ；基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度u_τ计算参数y⁺；基于飞行器表面引射速度V_w以及摩擦速度u_τ计算参数基于流场参数以及的计算参数N^*，并由此计算参数A⁺；根据y⁺和A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin‑Lomax(B‑L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier‑Stokes(N‑S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动力、热特性随质量引射量的变化规律。

Description

一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法及系统

技术领域

本发明涉及一种考虑引射效应的飞行器湍流预测技术，属于飞行器气动特性设计技术领域。

背景技术

当前，被动式再入弹头多采用烧蚀热防护设计方案。再入端头的烧蚀、侵蚀问题的困难主要有两个方面：一个方面，烧蚀侵蚀问题是一项相当复杂的系统工程，它涉及气体动力学、热化学动力学、气动热力学、气动物理、材料、气象及统计等，是一个多学科、跨学科问题；另一个方面，导弹烧蚀侵蚀的热问题成败的时间量级是以秒为衡量单位的，几秒的时间就决定了导弹的命运。我国端头烧蚀侵蚀研究经过十几年的努力，随着第一代端头烧蚀防热问题的基本解决，随着硅基防热到碳基防热的转变，随着端头朝小型化、高精度、强突防和全天候方向的发展，有关烧蚀外形、烧蚀侵蚀、烧蚀与再入通讯、烧蚀滚转等许多新问题都提到日程上来了。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供了一种考虑引射效应的飞行器湍流预测方法及系统，采用烧蚀质量引射特征及流场参数对内层粘性模型进行引射效应修正，获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动力、热特性随质量引射量的变化规律。

本发明的技术解决方案是：

一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，包括以下步骤：

(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分；

(2)基于流场参数计算摩擦速度u_τ；

(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度u_τ计算y处的雷诺数y⁺；

(4)基于飞行器表面引射速度V_w以及步骤(2)中给出的摩擦速度u_τ计算参数

(5)基于流场参数以及步骤(4)中给出的计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺；

(6)根据步骤(3)中给出的y⁺和步骤(5)中给出的中间参数A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。

所述的步骤(2)基于流场参数计算摩擦速度u_τ，具体公式为：

其中，ρ_w为壁面密度，τ_w为壁面剪切应力。

计算y处的雷诺数y⁺，具体公式为：

其中，ρ为来流密度，μ为粘性系数，u_τ为摩擦速度，y为飞行器表面第一层网格法向距离。

为无量纲化参数，其计算方式为：

其中，V_w为引射速度。

计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺，具体为：

其中，N^*为修正因子，且有：

其中，ρ_w为壁面密度，μ_w为壁面粘性系数。

计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，具体为：

其中，k是Karman常数，且k＝0.4；A⁺为修正参数，

Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型的内层模型：

涡量绝对值

其中，μ_i是内层粘性系数，x、y、z为流场三个坐标轴的方向，u、v、w为三个方向上的速度分量。

一种基于所述考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法实现的飞行器湍流预测系统，包括：

网格划分模块：对所述飞行器的全流场进行网格划分；

摩擦速度计算模块：基于流场参数计算摩擦速度u_τ；

雷诺数计算模块：基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度u_τ计算y处的雷诺数y⁺；

修正因子及修正参数计算模块：基于飞行器表面引射速度V_w以及摩擦速度u_τ计算参数进而计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺；

修正参数计算模块：根据雷诺数y⁺和修正参数A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正；

飞行器湍流确定模块：对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。

本发明与现有技术相比的优点：

Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型采用分区的涡粘公式，用涡量取代变形率，并对混合长度做了近壁修正，经过大量的工程计算检验，该模型对大多数附体流动和弱分离流动都具有较高的准确性和可靠性；而且，B-L代数湍流模型的最大优点是计算量少，只要附加粘性模块，就可以利用通常的Navier-Stokes数值计算程序进行求解。本发明方法把烧蚀质量引射的影响通过修正Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型中的混合长度来考虑，进而在迭代求解过程中，把这个影响在气动力、摩阻、力矩等的计算中反映出来，并将该模型推广至三维情况，可以研究飞行器气动力、热特性随质量引射效应的变化规律。

附图说明：

图1：本发明方法流程图；

图2：本发明方法飞行器计算模型示意图；

图3：本发明方法飞行器计算网格示意图。

具体实施方案

导弹表面烧蚀材料直接与高温空气接触，材料的表面通过热解、燃烧、升华等等相变过程，从边界层吸收部分热量，同时烧蚀表面也有部分也有部分物质进入气体边界层，使边界层增厚而降低了热量，起到“热阻”的作用。在这里，我们把烧蚀质量引射的影响通过修正Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型中的混合长度来考虑，进而在迭代求解过程中，把这个影响在气动力、摩阻、力矩等的计算中反映出来。

Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型采用分区的涡粘公式，用涡量取代变形率，并对混合长度做了近壁修正，经过大量的工程计算检验，该模型对大多数附体流动和弱分离流动都具有较高的准确性和可靠性；而且，B-L代数湍流模型的最大优点是计算量少，只要附加粘性模块，就可以利用通常的Navier-Stokes数值计算程序进行求解。本文在此基础上，引入烧蚀质量引射效应的影响，使B-L代数湍流模型能够模拟有烧蚀等引起的质量引射效应的气动特性，并将该模型推广至三维情况，可以研究飞行器气动特性随质量引射效应的变化规律。

如图1所示，本发明提供了一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，采用烧蚀质量引射特征及流场参数对内层粘性模型进行引射效应修正。首先对所述飞行器的全流场进行网格划分；基于流场参数计算壁面剪切应力τ_w，然后计算出摩擦速度u_τ；基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度u_τ计算参数y⁺；基于飞行器表面引射速度V_w以及摩擦速度u_τ计算参数基于流场参数以及的计算参数N^*，并由此计算参数A⁺；根据y⁺和A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。

具体步骤如图1所示：

(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分，如图3所示；

(2)基于流场参数计算壁面剪切应力τ_w，然后计算出摩擦速度u_τ；

具体公式为：

其中，ρ_w为壁面密度，τ_w为壁面剪切应力。

(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度u_τ计算y处的雷诺数y⁺；

具体公式为：

ρ为来流密度，μ为粘性系数，u_τ为摩擦速度，y为计算点距离壁面的法向距离。

(4)基于飞行器表面引射速度V_w以及步骤(2)中给出的摩擦速度u_τ计算参数

(5)基于流场参数以及步骤(4)中给出的计算参数N^*，并由此计算参数A⁺；

为无量纲化参数，其计算方式为：

其中，V_w为引射速度。

(6)根据步骤(3)中给出的y⁺和步骤(5)中给出的A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性规律。

计算修正参数A⁺，即：

其中，为修正因子，且有：

其中，ρ_e和μ_e分别为流场边界层外缘的密度和粘性系数，μ_w为壁面粘性系数，P⁺为基于流场边界层外缘参数的压力无量纲参数，且有：

其中，ν为动力粘性系数，P为流场压力，s为沿流线弧度。

在上述关于N^*公式中，含有边界层外缘参数，在进行N-S方程的计算时，还要事先知道边界层外缘参数，使用起来比较麻烦，因此，本发明参照湍流代数方程模型(B-L模型)的形式，在把无吹气湍流模型进行对比的基础上，对反映吹气效应的湍流模型进行变形，推导出含有吹气效应影响的B-L湍流模型，其中关于N^*的具体形式如下：

计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性规律：

其中，k是Karman常数，且k＝0.4。

Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型的内层模型：

涡量绝对值

其中，μ_i是内层粘性系数，x、y、z为流场三个坐标轴的方向，u、v、w为三个方向上的速度分量。

本发明考虑质量引射效应飞行器湍流预测技术具体求解实例如下：

本发明实例计算条件：弹头球头半径为100mm，半锥角10°，飞行高度为10km，来流马赫数6，壁温比0.5，弹体长度为6倍球头半径，如图2所示。

计算结果如表1所示。

表1滚转力矩系数随引射因子的变化

从表中可以看出，质量引射效应使摩阻系数增大，滚转力矩系数增大，这说明对于弹头来说，质量引射效应对无压力项的影响和对有压力项的影响综合作用的结果是：使湍流粘性系数变大，从而增大摩阻系数和滚转力矩系数。

综合以上模拟参数及气动特性的对比分析可以得到以下结论：本文的考虑质量引射效应的飞行器湍流预测技术能够预测涉及烧蚀等质量引射条件下的飞行器气动特性随质量引射量的变化规律，计算方法简单、可靠。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)对所述飞行器的全流场进行网格划分；

(2)基于流场参数计算摩擦速度u_τ；

(3)基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及步骤(2)中给出的摩擦速度u_τ计算y处的雷诺数y⁺；

(4)基于飞行器表面引射速度V_w以及步骤(2)中给出的摩擦速度u_τ计算参数

(5)基于流场参数以及步骤(4)中给出的计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺；

(6)根据步骤(3)中给出的y⁺和步骤(5)中给出的中间参数A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。

2.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：所述的步骤(2)基于流场参数计算摩擦速度u_τ，具体公式为：

其中，ρ_w为壁面密度，τ_w为壁面剪切应力。

3.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：计算y处的雷诺数y⁺，具体公式为：

其中，ρ为来流密度，μ为粘性系数，u_τ为摩擦速度，y为飞行器表面第一层网格法向距离。

4.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：为无量纲化参数，其计算方式为：

其中，V_w为引射速度。

5.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺，具体为：

其中，N^*为修正因子，且有：

其中，ρ_w为壁面密度，μ_w为壁面粘性系数。

6.根据权利要求1所述的一种考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法，其特征在于：计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，具体为：

其中，k是Karman常数，且k＝0.4；A⁺为修正参数，

Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型的内层模型：

涡量绝对值

其中，μ_i是内层粘性系数，x、y、z为流场三个坐标轴的方向，u、v、w为三个方向上的速度分量。

7.一种基于权利要求1所述考虑质量引射效应的飞行器湍流预测方法实现的飞行器湍流预测系统，其特征在于包括：

网格划分模块：对所述飞行器的全流场进行网格划分；

摩擦速度计算模块：基于流场参数计算摩擦速度u_τ；

雷诺数计算模块：基于飞行器表面第一层网格法向距离y和流场参数以及摩擦速度u_τ计算y处的雷诺数y⁺；

修正因子及修正参数计算模块：基于飞行器表面引射速度V_w以及摩擦速度u_τ计算参数进而计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺；

修正参数计算模块：根据雷诺数y⁺和修正参数A⁺，计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正；

飞行器湍流确定模块：对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等引起的质量引射特征的飞行器的气动特性随质量引射量的变化规律。

8.根据权利要求7所述的飞行器湍流预测系统，其特征在于：

计算摩擦速度u_τ，具体公式为：

其中，ρ_w为壁面密度，τ_w为壁面剪切应力；

计算y处的雷诺数y⁺，具体公式为：

其中，ρ为来流密度，μ为粘性系数，u_τ为摩擦速度，y为飞行器表面第一层网格法向距离。

9.根据权利要求7所述的飞行器湍流预测系统，其特征在于：

为无量纲化参数，其计算方式为：

其中，V_w为引射速度；

计算修正因子N^*，并由此计算修正参数A⁺，具体为：

其中，N^*为修正因子，且有：

其中，ρ_w为壁面密度，μ_w为壁面粘性系数。

10.根据权利要求7所述的飞行器湍流预测系统，其特征在于：

计算出湍流模型中内层模型所需的进行了烧蚀质量引射效应修正的混合长度L，从而对Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型进行修正，具体为：

其中，k是Karman常数，且k＝0.4；A⁺为修正参数，

Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型的内层模型：

涡量绝对值

其中，μ_i是内层粘性系数，x、y、z为流场三个坐标轴的方向，u、v、w为三个方向上的速度分量。