[发明专利]一种气热弹三场耦合仿真分析方法

说明书

本发明提出一种气热弹三场耦合仿真分析方法，其采用时间推进机制实现气热弹三场耦合。该方法基于气热弹三个物理场之间的耦合关系，建立了气热弹耦合仿真数学模型与物理模型，提供了气热弹耦合控制方程的离散及求解方法，并探知了气热弹耦合数据的传递方法。

技术领域

本发明涉及一种气热弹三场耦合仿真分析方法，属于航天产品数字化设计与多物理场耦合仿真技术领域。

背景技术

航天运输系统飞行过程中包含大量的复杂多物理场问题，比较典型的情况是飞行器上升段高速飞行过程中的热气动弹性现象。高速飞行的飞行器会同时受到结构场、流场、温度场三者共同作用，空气摩擦改变箭体表面温度，而温度反过来又影响结构与流体的物理属性，这种飞行器的流场、结构温度场、结构应力场之间的耦合关系属于三场耦合。

其中，三场耦合中又具体包含了气热耦合(流场、结构温度场)、气弹耦合(流场、结构应力场)、热弹耦合(结构温度场、结构应力场)这三对不同场之间的耦合关系。根据耦合作用的区域可以把耦合分为边界耦合和域耦合，相互耦合作用的两场通过域之间的共有界面发生作用的方式是边界耦合，气热耦合和气弹耦合属于边界耦合；相互耦合作用的两场发生在同一区域上且两场在区域内的任何位置都相互关联的方式是域耦合，热弹耦合属于域耦合。

在求解方法上，多物理场耦合仿真通常可以分为强耦合和弱耦合方法。强耦合方法将各物理场的控制方程组装配成耦合方程组，求解非线性耦合方程组获得耦合系统的特征向量，界面耦合条件通过直接隐式耦合迭代求解满足。弱耦合方法分别求解每个物理场的控制方程组，耦合条件通过场之间数据传递来满足。

现有技术中，对于飞行器的气热弹三场耦合仿真方法还比较少，尤其是高超声速飞行器的气热弹耦合仿真，且现有仿真方法计算繁杂。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中的上述需求，本发明提出一种气热弹三场耦合仿真分析方法，其基于气热弹三个物理场之间的耦合关系，建立了气热弹耦合仿真数学模型与物理模型，提供了气热弹耦合控制方程的离散及求解方法，并探知了气热弹耦合数据的传递方法。

(二)技术方案

一种气热弹三场耦合仿真分析方法，针对气热弹三场耦合计算，气热弹三场通过数据传递实现耦合仿真；其中，气指代气体流场，热指代飞行器固体温度场，弹指代飞行器固体弹性应力场；该仿真分析方法适用于飞行器上升段高速飞行过程，并采用时间推进机制进行，具体包括以下步骤：

步骤1、从外部获取当前飞行状态参数以供气热弹耦合计算；

步骤2、气热弹耦合计算模块按照耦合迭代算法进行气热弹三场间的耦合计算，给出当前飞行状态下飞行器受到的气动力与气动力矩；

步骤3、外部根据当前飞行状态下飞行器的受力情况，计算飞行器下一时刻的飞行状态，并将飞行器下一时刻的飞行状态传递给气热弹耦合计算模块；

步骤4、判断是否满足仿真终止条件，如满足，则终止仿真，如不满足，则继续仿真。

所述步骤1具体包括：

步骤11：初始化飞行状态参数，所述飞行状态参数包括飞行高度、马赫数、舵偏、飞行器远前方自由来流、飞行器内壁温度Tw、飞行器质量、飞行器转动惯量、仿真时间、步长时间，置初始时间t＝0；其中，飞行器远前方自由来流的参数包括飞行器远前方自由来流的速度Vin、飞行器远前方自由来流的压力P∞、飞行器远前方自由来流的温度Tinf；

步骤12：依据所述初始化飞行状态参数和飞行器三维数字样机模型构建计算网格；

步骤13、确定N-S方程组边界条件、飞行器固体温度场控制方程以及飞行器固体弹性应力场平衡方程边界条件；