CN113468655A - 基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法和系统 - Google Patents

基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，包括步骤如下：S1：采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；S2：采用线性稳定性理论，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；S3：根据步骤S2中的边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；S4：采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；S5：根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；S6：利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。本发明提升飞行器的转捩预示精度。

Description

基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法和系统
技术领域
本发明涉及一种边界层转捩预示与标定的方法和系统，属于流动稳定性技术领域。
背景技术
针对大气层中长距离飞行的高速飞行器研制来说，边界层转捩具有十分迫切的需求和重要的意义。边界层由层流转变为湍流后，飞行器表面的摩擦阻力和热流急剧增加，这将对飞行器的气动力/热产生重要影响，进而影响着飞行器的飞行效率和飞行安全。基于流动稳定性理论的eN方法是一种半经验的转捩预示方法，对于不同类型的边界层流动，转捩N值一般需要重新标定。当前，无论是风洞试验还是飞行试验，针对某类外形飞行器的转捩N值标定结果均为单一数值。根据本单位的飞行试验结果，发现单一的转捩N值难以反映真实飞行条件下的转捩测量结果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于高速边界层转捩判据标定的方法和系统，从工程应用上能够准确地反映飞行器不同失稳类型流动区域的转捩特征，提升飞行器的转捩预示精度，支撑弹道、气动力与热防护设计。
本发明所采用的技术方案是：一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，包括步骤如下：
S101：采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；
S102：采用线性稳定性理论(LST)，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；
S103：根据步骤S102中的边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；
S104：采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
具体方法如下：
根据扰动波的频率与特征函数分布特性，确定流向不稳定性和横流不稳定性区域的频率范围；
根据确定的频率范围，选取不同频率扰动波的最大N值，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
S105：根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；
标定方法如下：
根据飞行器边界层转捩测量结果，流向不稳定性区域内的转捩测点对应的N值即为流向不稳定性的Ns值，横流不稳定性区域内的转捩测点对应的N值即为横流不稳定性的Nc值；
S106：利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。
一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定系统，包括：
第一模块，采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；采用线性稳定性理论，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；
第二模块，根据边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
第三模块，根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。
采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络的具体方法如下：
根据扰动波的频率与特征函数分布特性，确定流向不稳定性和横流不稳定性区域的频率范围；
根据确定的频率范围，选取不同频率扰动波的最大N值，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络。
对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定的方法如下：
根据飞行器边界层转捩测量结果，流向不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为流向不稳定性的Ns值，横流不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为横流不稳定性的Nc值。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供一种用于高速边界层转捩判据标定的方法和系统，针对某外形飞行器，转捩判据的标定不再为单一数值。根据飞行器流动区域失稳特性，分别对不同主导模态进行转捩N值标定。该方法与飞行试验测量结果吻合较好，已应用于球锥或旋乘体外形飞行器的转捩预示，从工程应用上能够准确地反映飞行器不同失稳类型流动区域的转捩特征，利用本发明的方法得到的飞行器转捩位置及转捩形貌，提升飞行器的转捩预示精度，支撑弹道、气动力与热防护设计。
附图说明
图1为本发明的用于高速边界层转捩判据标定方法的流程图；
图2为本发明实施例的基于飞行试验测量结果的转捩判据标定示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。
根据飞行器的飞行试验转捩测量结果，确定飞行器层流流场计算所需的高度、马赫数、攻角、侧滑角和壁面温度等条件。利用线性化处理后的扰动方程，对飞行器层流基本流场进行线性稳定性分析，根据频率范围特征，获取不同扰动模态的增长率，确定不同流动区域的主导模态。根据飞行试验转捩测量结果，对不同模态的扰动放大因子进行标定，获取流动区域主导模态的转捩N值。
本发明基于钝锥飞行试验转捩测量结果，获取飞行试验状态下的层流基本流场，采取线性稳定性分析方法，获取不同流动区域的失稳特性，根据飞行试验结果，对不同失稳类型流动区域进行转捩N值标定。
如图1所示，为本发明的方法流程图，一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，包括步骤如下：
S101：采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；
S102：采用线性稳定性理论(LST)，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；
S103：根据步骤S102中的边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；
S104：采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
具体方法如下：
根据扰动波的频率与特征函数分布特性，确定流向不稳定性和横流不稳定性区域的频率范围；
根据确定的频率范围，选取不同频率扰动波的最大N值，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
S105：根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；
标定方法如下：
根据飞行器边界层转捩测量结果，流向不稳定性区域内的转捩测点对应的N值即为流向不稳定性的Ns值，横流不稳定性区域内的转捩测点对应的N值即为横流不稳定性的Nc值；
S106：利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。
一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定系统，包括：
第一模块，采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；采用线性稳定性理论，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；
第二模块，根据边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
第三模块，根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。
采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络的具体方法如下：
根据扰动波的频率与特征函数分布特性，确定流向不稳定性和横流不稳定性区域的频率范围；
根据确定的频率范围，选取不同频率扰动波的最大N值，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络。
对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定的方法如下：
根据飞行器边界层转捩测量结果，流向不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为流向不稳定性的Ns值，横流不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为横流不稳定性的Nc值。
实施例：
一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，包括步骤如下：
S101：获取钝锥基本流层流流场，即采用数值模拟方法开展飞行试验转捩对应状态的钝锥基本流场计算。
S102：获取钝锥边界层稳定性特征，即采取线性稳定性理论开展钝锥层流边界层稳定性分析。
S103：基于稳定性分析结果，将钝锥边界层流动区域划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域。
S104：获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络，即采用eN方法对不同频率扰动波沿势流方向进行积分，得到不同频率扰动波积分后的最大N值。
S105：标定转捩N值，即根据钝锥边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的N值进行标定，获得相应的转捩Ns与Nc，如图2所示，黑色实心圆圈代表真实飞行试验测量得到的转捩阵面形貌，图2中的五种曲线代表根据飞行试验测点位置确定的横流不稳定性和流向不稳定性的转捩形貌。
考虑到实际飞行器的表面粗糙、舱段对接等影响转捩的因素，基于理想外形的流场标定结果或许与飞行器边界层转捩测量结果存在一定的误差，需要考虑转捩N值的偏差，可用N±ε形式来表征。通过转捩预示的N值包络曲线，发现当Nc＝7.5±1和Ns＝12±1时，预示的转捩形貌与真实飞行试验转捩测量结果更加吻合。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (6)

1.一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，其特征在于，包括步骤如下：
S101：采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；
S102：采用线性稳定性理论，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；
S103：根据步骤S102中的边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；
S104：采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
S105：根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；
S106：利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。
2.根据权利要求1所述的一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，其特征在于，S104的具体方法如下：
根据扰动波的频率与特征函数分布特性，确定流向不稳定性和横流不稳定性区域的频率范围；
根据确定的频率范围，选取不同频率扰动波的最大N值，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定方法，其特征在于，步骤S105中，对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定的方法如下：
根据飞行器边界层转捩测量结果，流向不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为流向不稳定性的Ns值，横流不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为横流不稳定性的Nc值。
4.一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定系统，其特征在于，包括：
第一模块，采用数值模拟方法获取飞行器的基本流层流流场；采用线性稳定性理论，对飞行器进行边界层流动稳定性分析；
第二模块，根据边界层流动稳定性分析结果，将飞行器的边界层划分为流向不稳定性区域与横流不稳定性区域；采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络；
第三模块，根据飞行器边界层转捩测量结果，分别对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定，获得流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值；利用流向不稳定性转捩Ns值和横流不稳定性转捩Nc值得到不同状态下的飞行器转捩位置及转捩形貌。
5.根据权利要求4所述的一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定系统，其特征在于，采用eN方法，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络的具体方法如下：
根据扰动波的频率与特征函数分布特性，确定流向不稳定性和横流不稳定性区域的频率范围；
根据确定的频率范围，选取不同频率扰动波的最大N值，获取流向不稳定性与横流不稳定性区域的最大N值包络。
6.根据权利要求5所述的一种基于飞行试验数据的高速边界层转捩判据标定系统，其特征在于，对流向不稳定性与横流不稳定性的转捩N值进行标定的方法如下：
根据飞行器边界层转捩测量结果，流向不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为流向不稳定性的Ns值，横流不稳定性区域内的转捩测点对应的N值作为横流不稳定性的Nc值。
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