CN113486440A - 基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，包括步骤如下：S1：采用数值模拟方法获取飞行器的层流流场；S2：辨识飞行器层流流场的边界层参数，获取边界层外缘速度分布；S3：根据边界层外缘速度分布，获取边界层外缘流线，沿外缘流线方向布置高频压力传感器。通过本发明的方法布置的传感器能够准确地测量出高速边界层内扰动波的发展演化，为流动稳定性分析与转捩预示方法的改进和完善提供数据支撑，提升转捩预示精度。

Description

基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法
技术领域
本发明涉及一种高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法。
背景技术
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，同时边界层转捩过程中还伴随着脉动压力的显著变化。脉动压力不仅是飞行器载荷环境设计中需要重点考虑的一种物理量，而且其还是高速边界层转捩研究中需要关注的一种重要物理量。对于传感器测量转捩，现有的技术多数采用热流传感器与温度传感器，但是热流与温度传感器频响较低(一般在几十Hz到几百Hz)，无法测量边界层内扰动波(一般在kHz)。由于高速边界层内不稳定扰动波的频率在kHz量级，而压力传感器的频响最高可以达到1MHz以上，因此高频压力传感器经常被用来测量边界层内的扰动波，研究扰动波的特性及发展演化规律。
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，本发明提出一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，通过本发明的方法布置的传感器能够准确地测量出高速边界层内扰动波的发展演化，为流动稳定性分析与转捩预示方法的改进和完善提供数据支撑，提升转捩预示精度。
本发明所采用的技术方案是：基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，包括步骤如下：
S101：采用数值模拟方法获取飞行器的层流流场；
S102：辨识飞行器层流流场的边界层参数，获取边界层外缘速度分布；
具体方法如下：
(a)利用Lagrange插值方法，将直角坐标系下飞行器网格的流场插值到贴体坐标系下的网格节点上；
贴体坐标系的构造过程如下：
贴体网格点的坐标沿直角坐标系x、y、z三个轴方向的导数与沿贴体坐标系三个轴方向导数之间的关系为：
Figure BDA0003083019160000021
其中，ξ、η、ζ分别为贴体网格点在贴体坐标系三个轴方向的坐标量；导数ξx、ξy、ξz、ηx、ηy、ηz、ζx、ζy、ζz均是度量系数；
根据等式
Figure BDA0003083019160000022
定义坐标变化的雅克比行列式：
Figure BDA0003083019160000023
通过以上关系式，将直角坐标下的点坐标变换至贴体坐标系。
(b)计算飞行器边界层外缘位置；
(c)根据边界层外缘的位置，采用三次样条插值得到贴体坐标系下边界层外缘上所有点的流向、法向和展向三个速度分量；
S103：根据边界层外缘速度分布，获取边界层外缘流线，沿外缘流线方向对高频压力传感器进行布置，使用高频压力传感器测量高速边界层内扰动波。高频压力传感器的频响≥50kHz。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，为了获取高速边界层扰动波的不稳定性特征，压力传感器方法并不是直接沿飞行器的轴向或展向呈排或呈列进行布置，而是沿接近扰动波群速度方向的势流方向进行高频压力传感器布置，测量边界层扰动波稳定性特征。利用本发明的传感器布置方法对扰动波测量，不仅可以对稳定性理论进行验证，而且还可以为转捩模式的改进提供数据支撑，提升飞行器的转捩预示精度。
附图说明
图1为本发明的基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法的流程图；
图2为本发明实施例的球锥外形高频压力传感器布置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
针对飞行器外形，开展流场计算，获得飞行器层流流场。针对飞行器计算得到的基本流场，对其开展边界层参数辨识，获取外缘相关参数分布。根据飞行器边界层外缘流线分布，沿外缘流向方向对高频压力传感器进行布置，测量边界层扰动波的相关特性。
如图1所示，基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，包括步骤如下：
S101：采用数值模拟方法获取飞行器的层流流场；
S102：辨识飞行器层流流场的边界层参数，获取边界层外缘速度分布；
具体方法如下：
(a)利用Lagrange插值方法，将直角坐标系下飞行器网格的流场插值到贴体坐标系下的网格节点上；
设贴体网格点在贴体坐标系下的三个方向的坐标量分别为ξ、η、ζ，贴体网格点的坐标沿直角坐标系x、y、z三个轴方向的导数与沿贴体坐标系三个轴方向导数之间的关系为：
Figure BDA0003083019160000031
其中，导数ξx、ξy、ξz、ηx、ηy、ηz、ζx、ζy、ζz是度量系数。
根据全微分定义存在如下关系：
Figure BDA0003083019160000041
同理，有
Figure BDA0003083019160000042
那么，存在如下等式
Figure BDA0003083019160000043
定义坐标变化的雅克比行列式：
Figure BDA0003083019160000044
通过以上关系，可将直角坐标下的点坐标变换至贴体坐标系，实现贴体坐标系的构造。
(b)计算飞行器边界层外缘位置；
(c)根据边界层外缘的位置，采用三次样条插值得到贴体坐标系下边界层外缘上所有点的流向、法向和展向三个速度分量；
S103：根据边界层外缘速度分布，获取边界层外缘流线，沿外缘流线方向对高频压力传感器进行布置，使用高频压力传感器测量边界层内扰动波。高频压力传感器的频响≥50kHz。
实施例：
一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，能够准确地测量出高速边界层内扰动波的发展演化，为流动稳定性分析与转捩预示方法的改进和完善提供数据支撑，提升转捩预示精度。
本发明基于球锥外形层流基本流场，获取球锥边界层外缘参数，根据边界层外缘流线分布方向，对高频压力传感器进行布置。
基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，包括步骤如下：
S101：获取钝锥基本流场，即采用数值模拟方法开展钝锥层流基本流场计算。
S102：将空间网格由直角坐标系转换为贴体坐标系，利用Lagrange插值方法，将直角坐标系下网格的流场插值到贴体坐标系下的网格节点上。
S103：根据边界层外缘处的位置，采用三次样条插值得到边界层外缘速度分布。
S104：根据边界层外缘速度的辨识结果，画出球锥边界层外缘流线分布，沿外缘流线进行高频压力传感器布置。如图2所示。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (5)

1.一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1：采用数值模拟方法获取飞行器的层流流场；
S2：辨识飞行器层流流场的边界层参数，获取边界层外缘速度分布；
S3：根据边界层外缘速度分布，获取边界层外缘流线，沿外缘流线方向布置高频压力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，其特征在于，S2的具体方法如下：
S2.1、将直角坐标系下飞行器网格的流场插值到贴体坐标系下的网格节点上；
S2.2、计算飞行器边界层外缘位置；
S2.3、根据边界层外缘的位置，采用三次样条插值得到贴体坐标系下边界层外缘上所有点的流向、法向和展向三个速度分量。
3.根据权利要求2所述的一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，其特征在于，S2.1中，利用Lagrange插值方法将直角坐标系下飞行器网格的流场插值到贴体坐标系下的网格节点上。
4.根据权利要求3所述的一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，其特征在于，高频压力传感器的频响≥50kHz。
5.根据权利要求4所述的一种基于高频压力传感器测量高速边界层扰动波的布置方法，其特征在于，贴体坐标系的构造过程如下：
贴体网格点的坐标沿直角坐标系x、y、z三个轴方向的导数与沿贴体坐标系三个轴方向导数之间的关系为：
Figure FDA0003083019150000021
其中，ξ、η、ζ分别为贴体网格点在贴体坐标系三个轴方向的坐标量；导数ξx、ξy、ξz、ηx、ηy、ηz、ζx、ζy、ζz均是度量系数；
根据等式
Figure FDA0003083019150000022
定义坐标变化的雅克比行列式：
Figure FDA0003083019150000023
通过以上关系式，将直角坐标下的点坐标变换至贴体坐标系。
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