[发明专利]一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法

说明书

本发明公开了一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，该方法包括如下步骤：采用数值模拟方法获得模型的表面时均压力载荷分布曲线；采用工程预测公式获得模型的分离激波振荡最大偏移量；得到分离激波运动到偏离预设时均位置距离的概率；根据模型的分离激波振荡最大偏移量得到分离激波运动区域，将分离激波运动区域等分；对表面时均压力载荷分布曲线按等分的距离刚性平移，生成分离激波运动位置处瞬时压力曲线；将分离激波运动位置处瞬时压力曲线在分离激波运动位置处进行样本统计得到分离激波运动位置处的脉动压力。本发明具有预测效率高和快速获取分离激波振荡引起的脉动压力分布的优点。

技术领域

本发明属于气动预测技术领域，尤其涉及一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法。

背景技术

飞行器高速飞行过程中，流动分离、膨胀、压缩、激波振荡以及湍流附面层都会诱导压力脉动。大量研究表明，这种脉动压力环境所诱导的结构的随机振动与声振复合环境，会严重影响飞行器及其组件结构、工艺和功能的完整性。

飞行器在高速飞行过程中,由物面条件造成的脉动压力环境称之为基本脉动压力环境,主要有两种模式:一是物面的湍流环境；二是由于物形非连续变化引起的分离、膨胀、压缩和激波振荡等，具有明显的随机特性。

目前常用的脉动压力预测方法主要有风洞试验、数值模拟法和半经验方法。

风洞试验是脉动压力预测最直接可靠的方法，但耗资大，成本高，其成功开展需要一定的条件。随着计算流体力学(Computational fluid dynamics，CFD)和计算机技术的不断发展，数值方法逐渐受到青睐。但脉动压力与流场压强之间的量级差别使该方法对计算要求十分苛刻,一方面需要很密的网格,另一方面需要低耗散和低色散的格式。

采用基于实验数据库和理论分析的半经验方法是从大量风洞试验结果中总结归纳而成。最具有代表性并沿用至今的是Robertson等于上世纪70年代提出的经验公式，针对附体流与分离流均给出了均方根脉动压力系数、功率谱以及空间相关性的计算方法，但该方法没有针对分离激波振荡引起的脉动给出适用的计算公式。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，具有预测效率高和快速获取分离激波振荡引起的脉动压力分布的优点。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：采用数值模拟方法获得模型的表面时均压力载荷分布曲线；步骤二：采用工程预测公式获得模型的分离激波振荡最大偏移量；步骤三：根据一个振荡周期内分离激波脚运动概率分布函数满足高斯分布，得到分离激波运动到偏离预设时均位置x₀距离为d_i的概率；步骤四：根据模型的分离激波振荡最大偏移量得到分离激波运动区域[-λ+x₀,λ+x₀]，将分离激波运动区域[-λ+x₀,λ+x₀]等分；对步骤一中的表面时均压力载荷分布曲线按等分的距离刚性平移，生成分离激波运动位置处瞬时压力曲线；步骤五：将步骤四中的分离激波运动位置处瞬时压力曲线在分离激波运动位置处进行样本统计得到分离激波运动位置处的脉动压力。

上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，在步骤一中，模型为平板凸起物模型或压缩拐角模型；数值模拟方法为三维可压缩Navier-Stokes方程；模型的表面时均压力载荷分布曲线为

上述分离激波振荡产生的脉动载荷快速预测方法中，三维可压缩Navier-Stokes方程为：

其中，为守恒变量，分别为x，y，z三个方向上的无粘通量矢量，分别为x，y，z三个方向上的粘性通量矢量；t为时间，x为直角坐标系流向，y为直角坐标系法向，z为直角坐标系周向。