CN117782515A - 激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，包括如下步骤：依据流场监测装置获取流场监测数据，分析得到数据总体分布情况；采用蒙特卡洛方法，计算得到对应的风洞来流参数，从而获得风洞来流参数总体分布情况及不确定度；计算得到风洞试验模型壁面热流数据；采用非侵入式多项式混沌方法，分析得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标。本发明的有益效果：以确定性的气动热数值计算代替风洞试验气动热的测量值，避免引入热流传感器测量误差对热流不确定度的影响；根据风洞运行原理和气动热试验测量原理，分析风洞重复性运行对模型表面气动热影响因素，按照误差传递规律获取气动热数据不确定度。
Description
技术领域
本发明属于气动热技术领域，具体涉及一种激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法。
背景技术
由于高速飞行器气动加热效应非常严重，因此高速飞行器必须设计合适的防隔热层。热防护问题一直是高速飞行器研制的关键技术，作为热防护结构设计和材料选取的设计依据，高速飞行器表面的气动热问题一直是高超声速技术研究的重点和关键技术。保守的防热设计导致热防护结构超重，影响高超声速飞行器有效载荷和射程，使得飞行器达不到要求的战技指标；激进的防热设计使热防护结构重量较轻，有利于使飞行器满足有效载荷和射程指标，但会导致高速飞行器面临极大的安全风险。准确预测气动热环境及其不确定度，对于高速飞行器安全飞行并满足有效载荷/射程指标具有十分重要的意义。
激波风洞试验是开展气动热预测的重要手段，但是在激波风洞气动热环境试验中，由于诸多因素影响，试验数据存在相对较大的误差，特别是在边界层转捩过程或复杂干扰等情况下甚至难以准确判断其误差范围，造成防热设计时经常采用大幅度提高保险系数的方法以确保防热可靠性，产生“过度”防热，降低了飞行器的有效载荷和射程。因此对激波风洞气动热试验数据开展不确定度研究很有必要。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，能够全面准确评估分析风洞重复性运行时，风洞来流参数对模型表面热流数据不确定度的影响，为高速飞行器热防护系统精细设计提供设计依据。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，包括如下步骤：
步骤一，依据风洞试验过程中流场监测装置获取流场监测数据，分析得到数据总体分布情况；
步骤二，采用蒙特卡洛方法，基于流场计算公式计算得到对应的风洞来流参数，从而获得风洞来流参数总体分布情况及不确定度；
步骤三，采用气动热数值计算软件计算得到风洞试验模型壁面热流数据；
步骤四，采用非侵入式多项式混沌方法，分析得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标。
进一步的，所述的步骤一中，获取同一工况条件下风洞重复性运行流场监测数据及流场计算需要的其他数据，分析这些流场监测数据总体分布情况均满足正态分布，这些流场监测数据的均值及标准差满足规定要求，从而获得相应监测数据的概率密度函数。
进一步的，所述的步骤一中，流场监测数据包括环境温度、激波管激波马赫数和皮托压力。
进一步的，所述的步骤二中，采用拉丁超立方抽样方法获取106组满足概率密度函数的流场监测数据样本，采用蒙特卡洛方法，将流场监测数据样本输入流场计算公式计算得到对应的风洞来流参数；
分析计算得到的风洞来流参数总体分布情况均满足正态分布，并计算得到其不确定度，定义流场来流参数的不确定度为UQ% =100×1.96×（σ/μ）。
进一步的，所述的步骤二中，风洞来流参数包括静温、静压、密度、气流速度中的至少三种。
进一步的，所述的步骤三中，选取步骤二计算得到的风洞来流参数作为气动热数值计算的输入参数，将风洞来流参数样本数据输入气动热数值计算软件，计算得到风洞试验模型壁面热流数据。
进一步的，所述的步骤三中，气动热数值计算方法采用完全气体Navier-Stokes方程，在笛卡尔坐标系下，无量纲化的完全气体Navier-Stokes方程为：
；
守恒量、对流项/>、粘性项/>有如下形式：
；
；
其中，为时间，/>、/>、/>为坐标系三个方向，/>为雷诺数，/>为密度，/>、/>、/>为x、y、z三个方向速度分量，/>为能量项，/>为压力，τ为剪切应力，/>为热流，/>为粘性系数，为速度梯度，/>为流场温度，/>为热传导系数；
采用结构对接网格的有限差分方法离散方程，对流项采用AUSMPW+格式离散，粘性项采用二阶中心格式离散，隐式离散方程采用LU－SGS方法求解，迭代求解可获得风洞试验模型表面热流。
进一步的，所述的步骤三中，当模型表面边界层为湍流流态时，可采用湍流模型的方法进行求解。
进一步的，所述的步骤三中，湍流模型为SA湍流模型、k-ω SST湍流模型中的至少一种。
进一步的，所述的步骤四，采用非侵入式多项式混沌方法，对步骤三中气动热数值计算输入参数（即风洞来流参数）和计算结果进行分析，得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标，完成激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估。
本发明的有益效果：
（1）本发明主要用于评估风洞运行重复性时，风洞来流参数对模型表面热流不确定度的影响。
（2）本发明以确定性的气动热数值计算代替风洞试验气动热的测量值，这可以避免引入热流传感器测量误差对热流不确定度的影响。
（3）本发明根据风洞运行原理和气动热试验测量原理，分析风洞重复性运行对模型表面气动热影响因素，按照误差传递规律获取气动热数据不确定度。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图。
图2是本发明的计算步骤示意图。
图3是本发明的风洞流场密度概率分布图。
图4是本发明的壁面热流不确定度和输入变量敏感性指数分布图。
图5是本发明驻点典型区域输入变量对不确定度的影响对比图。
图6是本发明锥体典型区域输入变量对不确定度的影响对比图（锥体，X=695.15mm）。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1：
参考图1和图2所示，一种激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，包括如下步骤：步骤一，依据风洞试验过程中流场监测装置获取流场监测数据，分析得到数据总体分布情况。
步骤二，采用蒙特卡洛方法，基于流场计算公式计算得到对应的风洞来流参数，从而获得风洞来流参数总体分布情况及不确定度。
步骤三，采用气动热数值计算软件计算得到风洞试验模型壁面热流数据，以确定性的气动热数值计算代替风洞试验气动热测量，避免引入热流传感器测量误差的影响。
步骤四，采用非侵入式多项式混沌方法，分析得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标。
具体步骤一，流场监测数据总体分布情况。
依据风洞试验过程中流场监测装置，获取同一工况条件下风洞重复性运行流场监测数据及流场计算需要的其他数据，分析这些流场监测数据总体分布情况均满足正态分布，这些流场监测数据的均值及标准差满足规定要求，从而获得相应监测数据的概率密度函数。
这些流场监测数据包括环境温度、激波管激波马赫数和皮托压力，环境温度、激波管激波马赫数、皮托压力等监测数据的均值及标准差分别为：295.73K，2.2541K；2.2881，1.0892×10-2；287.6276KPa，3.2496KPa。
具体步骤二，风洞来流参数总体分布情况及不确定度。
采用拉丁超立方抽样方法获取106组满足概率密度函数的流场监测数据样本，采用蒙特卡洛方法，将流场监测数据样本输入流场计算公式计算得到对应的风洞来流参数。风洞来流参数包括静温、静压、密度和气流速度。
分析计算得到的风洞来流参数总体分布情况均满足正态分布，图3给出了密度的概率分布图。并计算得到其不确定度，定义流场来流参数的不确定度为UQ% =100×1.96×（σ/μ）（μ为均值，σ为标准差）。获得的风洞来流参数不确定度量化结果如表1所示。
表 1 风洞来流参数不确定度量化结果
具体步骤三，选取步骤二计算得到的风洞来流参数作为气动热数值计算的输入参数，具体包括来流速度、来流静温、来流密度和环境温度（壁面温度）四个输入变量。四个变量的均值及方差如前所述，均服从正态分布，采用抽样方法获取一定量满足总体分布情况的风洞来流参数样本。
步骤四需要采用非侵入式多项式混沌方法分析壁面热流结果不确定度，需要确定采样样本数量。本算例依据非侵入式多项式混沌方法，PCE模型在二阶截断、输入变量为四维，二阶PCE模型和四维变量要求样本数为30个，采用拉丁超立方方法进行抽样获取数值计算输入参数样本。
将风洞来流参数样本数据输入气动热数值计算软件，计算得到风洞试验模型壁面热流数据。气动热数值计算方法采用完全气体Navier-Stokes方程，在笛卡尔坐标系下，无量纲化的完全气体Navier-Stokes方程为：
；
守恒量、对流项/>、粘性项/>有如下形式：
；
；
其中，为时间，/>、/>、/>为坐标系三个方向，/>为雷诺数，/>为密度，/>、/>、/>为x、y、z三个方向速度分量，/>为能量项，/>为压力，τ为剪切应力，/>为热流，/>为粘性系数，为速度梯度，/>为流场温度，/>为热传导系数。
采用结构对接网格的有限差分方法离散方程，对流项采用AUSMPW+格式离散，粘性项采用二阶中心格式离散，隐式离散方程采用LU－SGS方法求解，迭代求解可获得风洞试验模型表面热流。
当模型表面边界层为湍流流态时，可采用湍流模型的方法进行求解。湍流模型为SA湍流模型、k-ω SST湍流模型中的至少一种。
具体步骤四，壁面热流结果不确定度评估。
采用非侵入式多项式混沌方法，对步骤三中气动热数值计算输入参数（即风洞来流参数）和计算结果进行分析，得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标，完成激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估。结果如图4、图5和图6所示。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，依据风洞试验过程中流场监测装置获取流场监测数据，分析得到数据总体分布情况；
步骤二，采用蒙特卡洛方法，基于流场计算公式计算得到对应的风洞来流参数，从而获得风洞来流参数总体分布情况及不确定度；
步骤三，采用气动热数值计算软件计算得到风洞试验模型壁面热流数据；
步骤四，采用非侵入式多项式混沌方法，分析得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标。
2.根据权利要求1所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤一中，获取同一工况条件下风洞重复性运行流场监测数据及流场计算需要的其他数据，分析这些流场监测数据总体分布情况均满足正态分布，这些流场监测数据的均值及标准差满足规定要求，从而获得相应监测数据的概率密度函数。
3.根据权利要求1或2所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤一中，流场监测数据包括环境温度、激波管激波马赫数和皮托压力。
4.根据权利要求1所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤二中，采用拉丁超立方抽样方法获取106组满足概率密度函数的流场监测数据样本，采用蒙特卡洛方法，将流场监测数据样本输入流场计算公式计算得到对应的风洞来流参数；
分析计算得到的风洞来流参数总体分布情况均满足正态分布，并计算得到其不确定度，定义流场来流参数的不确定度为UQ% =100×1.96×（σ/μ）。
5.根据权利要求1或4所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤二中，风洞来流参数包括静温、静压、密度、气流速度中的至少三种。
6.根据权利要求1所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤三中，选取步骤二计算得到的风洞来流参数作为气动热数值计算的输入参数，将风洞来流参数样本数据输入气动热数值计算软件，计算得到风洞试验模型壁面热流数据。
7.根据权利要求1或6所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤三中，气动热数值计算方法采用完全气体Navier-Stokes方程，在笛卡尔坐标系下，无量纲化的完全气体Navier-Stokes方程为：
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；
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采用结构对接网格的有限差分方法离散方程，对流项采用AUSMPW+格式离散，粘性项采用二阶中心格式离散，隐式离散方程采用LU－SGS方法求解，迭代求解可获得风洞试验模型表面热流。
8.根据权利要求1或6所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤三中，当模型表面边界层为湍流流态时，可采用湍流模型的方法进行求解。
9.根据权利要求8所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤三中，湍流模型为SA湍流模型、k-ω SST湍流模型中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估方法，其特征在于：所述的步骤四，采用非侵入式多项式混沌方法，对步骤三中的气动热数值计算输入参数和计算结果进行分析，得到壁面热流数据的不确定度及风洞来流参数的敏感性指标，完成激波风洞来流参数影响的气动热数据不确定度评估。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Qiang Inventor after: Zhuang Yu Inventor after: Shi Run Inventor after: Chen Qi Inventor after: Zhang Yifeng Inventor after: Liu Qingzong Inventor after: Guo Yongyan Inventor after: Hua Ruhao Inventor after: Shen Pengfei Inventor before: Li Qiang Inventor before: Zhuang Yu Inventor before: Liu Qingzong Inventor before: Shi Run Inventor before: Chen Qi Inventor before: Zhang Yifeng Inventor before: Guo Yongyan Inventor before: Hua Ruhao Inventor before: Shen Pengfei |
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| CB03 | Change of inventor or designer information |