CN112577657B - 一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，该方法包括如下步骤：采用数值模拟方法获得模型的表面时均压力载荷分布曲线；采用工程预测公式获得模型的分离激波振荡最大偏移量；得到分离激波运动到偏离预设时均位置距离的概率；根据模型的分离激波振荡最大偏移量得到分离激波运动区域，将分离激波运动区域等分；对表面时均压力载荷分布曲线按等分的距离刚性平移，生成分离激波运动位置处瞬时压力曲线；将分离激波运动位置处瞬时压力曲线在分离激波运动位置处进行样本统计得到分离激波运动位置处的脉动压力。本发明具有预测效率高和快速获取分离激波振荡引起的脉动压力分布的优点。

Description

一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法
技术领域
本发明属于气动预测技术领域，尤其涉及一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法。
背景技术
飞行器高速飞行过程中，流动分离、膨胀、压缩、激波振荡以及湍流附面层都会诱导压力脉动。大量研究表明，这种脉动压力环境所诱导的结构的随机振动与声振复合环境，会严重影响飞行器及其组件结构、工艺和功能的完整性。
飞行器在高速飞行过程中,由物面条件造成的脉动压力环境称之为基本脉动压力环境,主要有两种模式:一是物面的湍流环境；二是由于物形非连续变化引起的分离、膨胀、压缩和激波振荡等，具有明显的随机特性。
目前常用的脉动压力预测方法主要有风洞试验、数值模拟法和半经验方法。
风洞试验是脉动压力预测最直接可靠的方法，但耗资大，成本高，其成功开展需要一定的条件。随着计算流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)和计算机技术的不断发展，数值方法逐渐受到青睐。但脉动压力与流场压强之间的量级差别使该方法对计算要求十分苛刻,一方面需要很密的网格,另一方面需要低耗散和低色散的格式。
采用基于实验数据库和理论分析的半经验方法是从大量风洞试验结果中总结归纳而成。最具有代表性并沿用至今的是Robertson等于上世纪70年代提出的经验公式，针对附体流与分离流均给出了均方根脉动压力系数、功率谱以及空间相关性的计算方法，但该方法没有针对分离激波振荡引起的脉动给出适用的计算公式。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，具有预测效率高和快速获取分离激波振荡引起的脉动压力分布的优点。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：采用数值模拟方法获得模型的表面时均压力载荷分布曲线；步骤二：采用工程预测公式获得模型的分离激波振荡最大偏移量；步骤三：根据一个振荡周期内分离激波脚运动概率分布函数满足高斯分布，得到分离激波运动到偏离预设时均位置x0距离为di的概率；步骤四：根据模型的分离激波振荡最大偏移量得到分离激波运动区域[-λ+x0,λ+x0]，将分离激波运动区域[-λ+x0,λ+x0]等分；对步骤一中的表面时均压力载荷分布曲线按等分的距离刚性平移，生成分离激波运动位置处瞬时压力曲线；步骤五：将步骤四中的分离激波运动位置处瞬时压力曲线在分离激波运动位置处进行样本统计得到分离激波运动位置处的脉动压力。
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，在步骤一中，模型为平板凸起物模型或压缩拐角模型；数值模拟方法为三维可压缩Navier-Stokes方程；模型的表面时均压力载荷分布曲线为
Figure BDA0002842447130000021
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，三维可压缩Navier-Stokes方程为：
Figure BDA0002842447130000022
其中，
Figure BDA0002842447130000023
为守恒变量，
Figure BDA0002842447130000024
分别为x，y，z三个方向上的无粘通量矢量，
Figure BDA0002842447130000025
分别为x，y，z三个方向上的粘性通量矢量；t为时间，x为直角坐标系流向，y为直角坐标系法向，z为直角坐标系周向。
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，步骤二中，平板凸起物模型的分离激波振荡最大偏移量λ为：λ＝D；其中，D为平板凸起物前缘直径；压缩拐角模型的的分离激波振荡最大偏移量λ为：λ＝δ；其中，δ为来流边界层厚度。
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，步骤三中，分离激波运动到偏离预设时均位置x0距离为d的概率为：
Figure BDA0002842447130000031
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，步骤四中，分离激波运动区域为[-λ+x0,λ+x0]，对分离激波运动区域划分为50等份，则分离激波偏离时均位置距离di为：
Figure BDA0002842447130000032
其中，i代表第i个分离激波运动子区域。
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，步骤四中，分离激波运动位置处瞬时压力曲线pi(x,y,z)通过以下公式得到：
Figure BDA0002842447130000033
上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，步骤五中，分离激波运动位置处的脉动压力通过以下公式得到：
Figure BDA0002842447130000034
其中，σP(x,y,z)为均方根脉动压力。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明基于时均压力分布预测脉动压力，与直接采用数值模拟技术预测脉动压力相比，程序实现简单，计算量小；
(2)本发明相较于风洞试验预测技术，成本更低，且不受风洞试验客观条件限制；
(3)本发明相较于传统半经验公式方法，可预测分离激波引起的脉动载荷分布。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的预测结果与试验结果对比的示意图；
图3是本发明实施例提供的平板钝舵模型示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1是本发明实施例提供的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤一：采用数值模拟方法获得模型的表面时均压力载荷分布曲线；
步骤二：采用工程预测公式获得模型的分离激波振荡最大偏移量；
步骤三：根据一个振荡周期内分离激波脚运动概率分布函数满足高斯分布，得到分离激波运动到偏离预设时均位置x0距离为di的概率；
步骤四：根据模型的分离激波振荡最大偏移量得到分离激波运动区域[-λ+x0,λ+x0]，将分离激波运动区域[-λ+x0,λ+x0]等分；
对步骤一中的表面时均压力载荷分布曲线按等分的距离刚性平移，生成分离激波运动位置处瞬时压力曲线；
步骤五：将步骤四中的分离激波运动位置处瞬时压力曲线在分离激波运动位置处进行样本统计得到分离激波运动位置处的脉动压力。
数值模拟方法具体为针对平板凸起物、压缩拐角等典型模型，通过对三维可压缩Navier-Stokes方程进行求解，获得流场时均压力载荷分布曲线。
坐标系的建立步骤为：采用三维笛卡尔直角坐标系，x轴沿模型流向，y轴沿法向，z轴沿周向，坐标原点O选取为模型前缘中点。
三维可压缩Navier-Stokes方程为：
Figure BDA0002842447130000051
其中
Figure BDA0002842447130000052
为守恒变量，
Figure BDA0002842447130000053
分别为x，y，z三个方向上的无粘通量矢量，
Figure BDA0002842447130000054
分别为x，y，z三个方向上的粘性通量矢量；
通过求解上述方程，可以获得时均压力载荷分布曲线
Figure BDA0002842447130000055
试验方法具体为针对平板凸起物、压缩拐角等典型模型，在风洞中开展常规测压试验，获得模型表面时均压力载荷分布曲线
Figure BDA0002842447130000056
在步骤二中，平板凸起物模型的分离激波振荡最大偏移量λ为：
λ＝D；
其中，D为平板凸起物前缘直径；
压缩拐角模型的的分离激波振荡最大偏移量λ为：
λ＝δ；
其中，δ为来流边界层厚度。
步骤三中，分离激波运动到偏离预设时均位置x0距离为d的概率为：
Figure BDA0002842447130000057
步骤四中，分离激波运动区域为[-λ+x0,λ+x0]，对分离激波运动区域划分为50等份，则分离激波偏离时均位置距离di为：
Figure BDA0002842447130000058
其中，i代表第i个分离激波运动子区域。
步骤四中，分离激波运动位置处瞬时压力曲线pi(x,y,z)通过以下公式得到：
Figure BDA0002842447130000059
步骤五中，分离激波运动位置处的脉动压力通过以下公式得到：
Figure BDA0002842447130000061
其中，σP(x,y,z)为均方根脉动压力。
本实施例中针对一种平板钝舵模型进行脉动压力预测，如图3所示。来流马赫数为2.95，攻角0°，时均压力分布曲线由试验数据给出，本发明预测结果与试验结果对比如图2所示，从而验证了本发明具有较高的预测精度。
本发明基于时均压力分布预测脉动压力，与直接采用数值模拟技术预测脉动压力相比，程序实现简单，计算量小；本发明相较于风洞试验预测技术，成本更低，且不受风洞试验客观条件限制；本发明相较于传统半经验公式方法，可预测分离激波引起的脉动载荷分布。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：采用数值模拟方法获得模型的表面时均压力载荷分布曲线；
步骤二：采用工程预测公式获得模型的分离激波振荡最大偏移量；
步骤三：根据一个振荡周期内分离激波脚运动概率分布函数满足高斯分布，得到分离激波运动到偏离预设时均位置距离的概率；
步骤四：根据模型的分离激波振荡最大偏移量得到分离激波运动区域，将分离激波运动区域等分；
对步骤一中的表面时均压力载荷分布曲线按等分的距离刚性平移，生成分离激波运动位置处瞬时压力曲线；
步骤五：将步骤四中的分离激波运动位置处瞬时压力曲线在分离激波运动位置处进行样本统计得到分离激波运动位置处的脉动压力；
在步骤一中，模型为平板凸起物模型或压缩拐角模型；
数值模拟方法为三维可压缩Navier-Stokes方程；
模型的表面时均压力载荷分布曲线为
Figure FDA0003612809300000011
步骤二中，平板凸起物模型的分离激波振荡最大偏移量λ为：
λ＝D；
其中，D为平板凸起物前缘直径；
压缩拐角模型的分离激波振荡最大偏移量λ为：
λ＝δ；
其中，δ为来流边界层厚度。
2.根据权利要求1所述的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，其特征在于：三维可压缩Navier-Stokes方程为
Figure FDA0003612809300000012
其中，
Figure FDA0003612809300000021
为守恒变量，
Figure FDA0003612809300000022
分别为x，y，z三个方向上的无粘通量矢量，
Figure FDA0003612809300000023
分别为x，y，z三个方向上的粘性通量矢量；t为时间，x为直角坐标系流向，y为直角坐标系法向，z为直角坐标系周向。
3.根据权利要求1所述的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，其特征在于：步骤三中，分离激波运动到偏离预设时均位置x0距离为d的概率为：
Figure FDA0003612809300000024
4.根据权利要求1所述的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，其特征在于：步骤四中，分离激波运动区域为[-λ+x0,λ+x0]，对分离激波运动区域划分为50等份，则分离激波偏离时均位置距离di为：
Figure FDA0003612809300000025
其中，i代表第i个分离激波运动子区域。
5.根据权利要求4所述的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，其特征在于：步骤四中，分离激波运动位置处瞬时压力曲线pi(x,y,z)通过以下公式得到：
Figure FDA0003612809300000026
6.根据权利要求5所述的分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，其特征在于：步骤五中，分离激波运动位置处的脉动压力通过以下公式得到：
Figure FDA0003612809300000027
其中，σP(x,y,z)为均方根脉动压力。
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