[发明专利]一种考虑粗糙效应的飞行器湍流确定方法及系统

说明书

本发明涉及一种考虑粗糙效应的飞行器湍流确定方法及系统。采用烧蚀表面特征及流场参数对内层湍流模型进行粗糙效应修正。首先对所述飞行器的全流场进行网格划分；之后根据飞行器烧蚀表面特征计算计算粗糙单元密度λ，然后计算等效沙粒高度h_e；根据飞行器计算流场中的参数以及等效粗糙高度h_e计算出参数计算Ar，并由此计算B⁺、B；根据飞行器计算流场中的参数计算N^*，并由此计算A⁺、A；最后根据步骤模化参数A、B，计算出湍流模型中所需的进行了粗糙效应修正的混合长度L，从而对Baldwin‑Lomax(B‑L)代数湍流模型进行修正，然后再对Navier‑Stokes(N‑S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有烧蚀等粗糙表面特征的飞行器的气动力、热特性随粗糙高度的变化规律。

技术领域

本发明涉及一种考虑粗糙效应的飞行器湍流确定方法及系统，属于飞行器气动特性设计技术领域。

背景技术

战略导弹的烧蚀及侵蚀问题一直是端头设计的最关键问题之一。导弹烧蚀后，其表面随机分布着粗糙沙粒，不再光滑。粗糙沙粒浸入边界层粘性底层甚至对数律区，扰乱边界层流动，增加了边界层内的动量交换和能量交换，导致再入端头在飞行过程中受到的摩擦阻力变大，加剧了壁面和周围气体之间的热交换。烧蚀外形与气动力、气动热等紧密耦合，相互影响，不确定因素多，预测精度差。为确保端头具有先进的稳定再入性能和较高的命中精度，它的热防护系统必须能抗严重的气动载荷，同时应保持尽可能小的外形变化，因此，端头的烧蚀外形研究、端头的热防护设计研究是第二代端头设计的关键技术。

在气动力、热和热传导领域，关于表面粗糙度效应的研究起源于Nikuradse和Schlichting的经典工作。研究表明，粗糙度对飞行器气动力、热的影响同粗糙元的形状、高度及分布特性有关，因此人们通常应用等效沙粒粗糙度高度来表征粗糙度对气动力、热环境的影响。在工程方法方面，Powars的关于粗糙表面热增量的研究工作被许多热防护设计所采用，并被包括在著名的PANT计划中，但Powars的工作采用了完全气体假设。在国内，孙洪森对Powars的粗糙热增量关系式进行了真实气体效应修正。而关于可压缩湍流问题，现有的少数几个传热“理论”都基于雷诺比拟假设。然而越来越多的实验表明，粗糙表面的摩擦应力随着表面粗糙高度的增加而增加，相反，热流则会达到一个极值，这一点与雷诺比拟不符合。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供了一种考虑粗糙效应的飞行器湍流确定方法及系统，引入烧蚀粗糙效应的影响，使B-L代数湍流模型能够模拟有烧蚀等形成的粗糙表面的气动力、热特性，从而用于研究飞行器气动力、热特性随表面烧蚀粗糙高度的变化规律。

本发明的技术解决方案是：

一种考虑粗糙效应的飞行器湍流确定方法，包括以下步骤：

(1)对飞行器的全流场进行网格划分；

(2)根据飞行器烧蚀表面特征计算粗糙单元密度λ，然后计算等效沙粒高度h_e；

(3)根据飞行器计算流场中的参数以及步骤(2)中给出的h_e计算模化参数B；

(4)根据飞行器计算流场中的参数计算模化参数A；

(5)根据步骤(3)及步骤(4)中的模化参数A、B，计算出Baldwin-Lomax(B-L)代数湍流模型中内层模型所需的进行了粗糙效应修正的混合长度L，从而对B-L代数湍流模型进行修正，然后再对Navier-Stokes(N-S)方程进行求解，从而获得湍流状态下有粗糙表面特征的飞行器的气动特性随粗糙高度的变化规律。

计算等效沙粒高度h_e，具体公式为：

其中，h为粗糙单元高度，λ是粗糙单元密度，且有：