CN112613250B - 火星进入器表面流动转捩位置预测方法 - Google Patents

火星进入器表面流动转捩位置预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，包括：基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得火星进入器的绕流场数据；以火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将绕流场数据插值到转捩预测网格获得转捩预测流场数据；基于转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，沿壁面法向在边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，并计算基于粗糙度高度的第二雷诺数；将第一雷诺数和第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，基于第一转捩判据和第二转捩判据获取火星进入器表面流动的转捩位置。提供了火星进入器表面流动转捩位置预测方法。

Description

火星进入器表面流动转捩位置预测方法
技术领域
本发明涉及空气动力学技术领域，更具体地，涉及一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法。
背景技术
边界层转捩对高超声速飞行器的推进和热防护系统设计有重要影响。但由于转捩过程受到多种因素的影响，机理复杂，无论是理论分析、数值计算或风洞试验，准确预测转捩困难重重。
目前对于转捩预测主要存在4种预测方法，分别是工程转捩准则判定方法、eN方法、转捩模型方法、直接数值模拟方法/大涡模拟方法。
工程转捩准则通过对风洞试验及飞行试验数据的分析，给出转捩雷诺数的工程计算公式，其优点是方法简单、可靠性高，缺点是其仅适用于导出该准则的风洞试验的类似外形。
eN方法是在流场中假设一小扰动，通过求解扰动传输方程，当扰动幅值达到原始扰动eN倍时，认为流动发生转捩，N值由试验给出，其缺点是仅能预测转捩过程的线性失稳过程。
转捩模型方法是通过建立额外的表征湍流转捩过程的变量输运方程，试图通过对转捩过程的模化对转捩进行预测，但其目前的鲁棒性及适用性仍然存疑。
直接数值模拟方法/大涡模拟方法是对层流流场给以扰动，而后直接计算流动由层流发展成湍流过程，理论上直接数值模拟可以对转捩过程进行精确预测，但因其计算量巨大，目前仅能对简单外形如平板、锥的转捩过程进行机理性研究。
发明内容
本发明的目的是提出一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，克服现有转捩预测方法无法适用于火星大气的问题，提供了火星进入器表面流动转捩位置预测方法。
为实现上述目的，本发明提出了一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，包括：
基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得所述火星进入器的绕流场数据；
以所述火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将所述绕流场数据插值到所述转捩预测网格获得转捩预测流场数据；
基于所述转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，沿壁面法向在所述边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，并计算基于粗糙度高度的第二雷诺数；
将所述第一雷诺数和所述第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，基于所述第一转捩判据和所述第二转捩判据获取所述火星进入器表面流动的转捩位置。
本发明的有益效果在于：
本发明在流场模拟时使用真实火星大气的气体参数并采用热化学非平衡模型进行模拟，结合了火星大气成分影响，在对粗糙壁面进行分析时采用基于粗糙度高度的转捩准则，同时综合了壁面粗糙度的影响，能够给出更准确的转捩位置。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法的步骤的流程图。
图2示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法中生成的转捩预测网格示意图。
图3示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法中沿迎背风子午线绘制第一雷诺数的曲线图。
图4示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法中沿迎背风子午线绘制第二雷诺数的曲线图。
图5示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法中沿迎背风子午线绘制第一转捩判据的曲线图。
图6示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法中沿迎背风子午线绘制第二转捩判据的曲线图。
具体实施方式
相对于地球大气进入的转捩预测，火星进入器的转捩位置预测时，需要克服三方面的难题。首先是火星大气以二氧化碳为主要成分，气体成分的不同导致绕流流场特性发生显著改变，基于地球大气飞行试验总结的工程计算方法不能直接应用于转捩预测。其二是进入器以高超声速进入，激波层内温度急剧上升，二氧化碳分子发生分解及振动能激发，流动化学非平衡及热化学非平衡效应十分显著。其三是进入器的表面材料会发生热解、烧蚀，形成非光滑的表面形貌，在进行转捩预测时需要考虑表面粗糙度的影响。
为了对火星进入器表面流动的转捩位置进行预测，本发明提出基于火星大气气体组分结合精细计算流体力学方法开展进入器绕流流场的计算分析，获得考虑高温效应的边界层相关参数，并基于工程转捩准则进行光滑表面及粗糙表面的转捩位置的预测。
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明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使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1示出了根据本发明实施例的一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法的步骤的流程图。
如图1所示，一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，包括：
步骤S101：基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得火星进入器的绕流场数据(基本流场数据)；
具体地，针对火星进入器的外形进行分块对接网格剖分；基于火星大气模型和进入器的弹道高度、速度设定、来流组分、密度、压力、温度和速度，给定壁面温度条件为辐射平衡壁条件；基于热化学非平衡模型进行流场求解，获得绕流场数据，绕流场数据包括来流的组分、密度、速度、温度和粘性系数；采用数值模拟方法获得基本流场。
在一个具体应用场景中，计算流体力学的模拟需要给定基本方程、数值离散方法以及边界条件。基于Park火星大气反应模型及双温度热力学非平衡模型构建求解的基本方程。在数值离散方法方面使用AUSM+格式和Minmod限制器进行空间离散，LUSGS方法进行时间方向离散。基于火星大气模型和弹道条件确定来流边界的密度、温度、压力、速度条件，来流组分设置为100％的二氧化碳，壁面条件使用辐射平衡壁条件。基于基本方程、数值离散方法以及边界条件进行数值迭代求解，获得绕流场数据，包括流场的组分、密度、压力、温度、粘性系数。采用数值模拟方法获得基本流场。
步骤S102：以火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将绕流场数据插值到转捩预测网格获得转捩预测流场数据；
具体地，取火星进入器大底的迎背风子午线作为火星进入器的型线，均匀布置设定数量的网格点，并通过双曲网格生成方法生成高正交插值网格作为转捩预测网格；
将转捩预测网格置于绕流场数据中进行线性插值，获得转捩预测网格上的转捩预测流场数据。
在上述应用场景中，以进入器型线作为基准生成高正交插值网格作为转捩预测网格，将原始绕流场的密度、速度、粘性系数插值到转捩预测流场(网格)数据。
首先，取进入器大底的迎背风子午线作为进入器型线，均匀布置101个网格点，通过双曲网格生成方法生成高正交插值网格，第一层网格设置为0.001mm，网格增长率为1.01，法向网格点数为400，生成高正交插值网格。
然后，将插值网格置于绕流场数据中进行线性插值，获得插值网格上的流场数据，插值网格如图2所示。
步骤S103：基于转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，沿壁面法向在边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，并计算基于粗糙度高度的第二雷诺数；
在上述具体应用场景中，首先，基于插值网格中的流场数据，计算来流总焓
Figure BDA0002867256750000051
壁面焓hw以及空间流场各点的总焓
Figure BDA0002867256750000052
然后，取边界层外缘为当地总焓与来流焓差达到来流总焓与壁面焓差99％的位置，即
Figure BDA0002867256750000053
获得迎背风子午线各点对应边界层厚度δ。
其中，通过以下公式计算动量损失厚度：
Figure BDA0002867256750000061
其中，θ为动量损失厚度，δ为迎背风子午线各点对应边界层厚度，ρ为流场的密度，u为流场的速度，ρe为边界层外缘的流场密度，ue为边界层外缘的流场速度。
最后，通过以下公式计算基于动量损失厚度的第一雷诺数：
Figure BDA0002867256750000062
其中，Reθ为第一雷诺数，θ为动量损失厚度，ρe为边界层外缘的流场密度，ue为边界层外缘的流场速度，μe为边界层外缘的粘性系数。
以及，通过以下公式计算基于粗糙度高度的第二雷诺数：
Figure BDA0002867256750000063
其中，Rek,k为第二雷诺数，k为火星进入器表面粗糙度的高度，ρk为粗糙度高度处的流场密度，uk为粗糙度高度处的流场速度，μk为的粗糙度高度处粘性系数。
图3、图4给出了沿0°及180°迎背风子午线绘制第一雷诺数和第二雷诺数的曲线。
步骤S104：将第一雷诺数和第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，基于第一转捩判据和第二转捩判据获取火星进入器表面流动的转捩位置。
在上述具体应用场景中，基于动量厚度的雷诺数以及基于粗糙度高度的雷诺数转捩准则，计算第一转捩判据Crsmooth及第二转捩判据Crrough，
其中，通过以下公式计算第一转捩判据：
Figure BDA0002867256750000071
其中，Crsmooth为第一转捩判据，Reθ为第一雷诺数；
然后，通过以下公式计算第二转捩判据：
Figure BDA0002867256750000072
其中，Crrough为第二转捩判据，Rek,k为第二雷诺数。
上述第一转捩判据和第二转捩判据的计算公式表示：第一雷诺数为200或第二雷诺数为150时判定为转捩。其中，200及150为基于地面风洞试验及飞行试验的经验参数。
然后，如图5、图6所示，沿型线绘制Crsmooth和Crrough的曲线，定义Crsmooth＝1和Crrough＝1的位置为火星进入器的表面流动转捩位置。
需要说明的是，此步骤中使用工程转捩准则获得转捩位置，即发明的本方法为一种工程/数值混合的转捩预测方法。
进一步地，图3-图6中，case1、case2和case3三条曲线分别为三个计算状态，具体为三个火星进入器高度、马赫数的组合。
本发明与现有技术相比的具有如下优点
1、火星大气以二氧化碳为主要成分，气体成分的不同导致绕流流场特性发生显著改变，现有基于地球大气飞行试验总结的工程计算方法不能直接应用于转捩预测。
2、进入器以高超声速进入，激波层内温度急剧上升，二氧化碳分子发生分解及振动能激发，流动化学非平衡及热化学非平衡效应十分显著，在进行转捩预测时需要计及二者的影响。
3、进入器的表面材料会发生热解、烧蚀，形成非光滑的表面形貌，在进行转捩预测时需要考虑表面粗糙度的影响。
综上，本发明在流场模拟时使用真实火星大气的气体参数并采用热化学非平衡模型进行模拟，计及了火星大气成分和二氧化碳分子的分解及振动能激发的影响，在对粗糙壁面进行分析时采用基于粗糙度高度的转捩准则，也考虑了粗糙度的影响。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，包括：
基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得所述火星进入器的绕流场数据；
以所述火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将所述绕流场数据插值到所述转捩预测网格获得转捩预测流场数据；
基于所述转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，沿壁面法向在所述边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，并计算基于粗糙度高度的第二雷诺数；
将所述第一雷诺数和所述第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，基于所述第一转捩判据和所述第二转捩判据获取所述火星进入器表面流动的转捩位置。
2.根据权利要求1所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，所述基于火星大气模型采用热化学非平衡模型进行计算流体力学模拟，获得所述进入器的绕流场数据，包括：
针对所述火星进入器的外形进行分块对接网格剖分；
基于所述火星大气模型和进入器的弹道高度、速度设定、来流组分、密度、压力、温度和速度，给定壁面温度条件为辐射平衡壁条件；
基于热化学非平衡模型进行流场求解，获得所述绕流场数据，所述绕流场数据包括来流的组分、密度、速度、温度和粘性系数；
采用数值模拟方法获得基本流场。
3.根据权利要求1所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，以所述火星进入器的型线作为基准生成转捩预测网格，并将所述绕流场数据插值到所述转捩预测网格获得转捩预测流场数据，包括：
取所述火星进入器大底的迎背风子午线作为所述火星进入器的型线，均匀布置设定数量的网格点，并通过双曲网格生成方法生成高正交插值网格作为所述转捩预测网格；
将所述转捩预测网格置于所述绕流场数据中进行线性插值，获得所述转捩预测网格上的所述转捩预测流场数据。
4.根据权利要求1所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，所述基于所述转捩预测流场数据计算流场总焓并获得边界层的外缘位置，包括：
基于所述转捩预测流场数据，计算来流总焓、壁面焓以及空间流场各点的总焓；
取所述空间流场各点的总焓与来流焓差达到所述来流总焓与所述壁面焓差99％的位置作为所述边界层的外缘位置，同时获得迎背风子午线各点对应边界层厚度。
5.根据权利要求4所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，所述沿壁面法向在所述边界层内积分计算基于动量损失厚度的第一雷诺数，包括：
沿壁面法向从壁面积分至所述边界层外缘，计算动量损失厚度；
基于计算出的所述动量损失厚度，计算相应的基于动量损失厚度的所述第一雷诺数。
6.根据权利要求5所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，通过以下公式计算所述动量损失厚度：
Figure FDA0002867256740000021
其中，θ为动量损失厚度，δ为所述迎背风子午线各点对应边界层厚度，ρ为流场的密度，u为流场的速度，ρe为边界层外缘的流场密度，ue为边界层外缘的流场速度。
7.根据权利要求5所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，通过以下公式计算基于动量损失厚度的所述第一雷诺数：
Figure FDA0002867256740000031
其中，Reθ为所述第一雷诺数，θ为所述动量损失厚度，ρe为边界层外缘的流场密度，ue为边界层外缘的流场速度，μe为边界层外缘的粘性系数。
8.根据权利要求1所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，通过以下公式计算基于粗糙度高度的第二雷诺数：
Figure FDA0002867256740000032
其中，Rek,k为所述第二雷诺数，k为所述火星进入器表面粗糙度的高度，ρk为粗糙度高度处的流场密度，uk为粗糙度高度处的流场速度，μk为的粗糙度高度处粘性系数。
9.根据权利要求1所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，所述将所述第一雷诺数和所述第二雷诺数作为转捩准则，分别计算第一转捩判据和第二转捩判据，包括：
通过以下公式计算所述第一转捩判据：
Figure FDA0002867256740000033
其中，Crsmooth为所述第一转捩判据，Reθ为所述第一雷诺数；
通过以下公式计算所述第二转捩判据：
Figure FDA0002867256740000034
其中，Crrough为所述第二转捩判据，Rek,k为所述第二雷诺数。
10.根据权利要求9所述的火星进入器表面流动转捩位置预测方法，其特征在于，所述基于所述第一转捩判据和所述第二转捩判据获取所述火星进入器表面流动的转捩位置，包括：
沿迎背风子午线绘制所述第一转捩判据和所述第二转捩判据的曲线，
定义所述第一转捩判据的值等于1且所述第二转捩判据等于1的位置为所述转捩位置。
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Mars Science Laboratory Heat Shield Aerothermodynamics: Design and Reconstruction;Edquist, Karl T等;《JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS》;20140831;第51卷(第4期);1106-1124 *
火星进入器高超声速气动力/热研究综述;唐伟 等;《宇航学报》;20170331;第38卷(第3期);230-239 *

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