[发明专利]一种用于高超声速边界层转捩天地数据关联的方法

说明书

本发明公开了一种用于高超声速边界层转捩天地数据关联的方法，将高超声速边界层的转捩天地相关性函数采用Taylor级数展开，考虑控制变量间的耦合作用，并利用地面风洞实验结果预测飞行条件下的高超声速边界层的转捩位置。本发明解决了现有技术存在的对风洞实验的要求高、转捩预测精度不够高等问题。

技术领域

本发明涉及空气动力学技术领域，具体是一种用于高超声速边界层转捩天地数据关联的方法。

背景技术

在高超声速情况下，当流动雷诺数大于某一临界值，边界层流动状态便会从层流转捩至湍流。研究表明，高超声速条件下湍流边界层的壁面摩阻与壁面热流通常比层流边界层大3-5倍，所以，准确预测飞行转捩位置对高超声速飞行器的气动设计和飞行控制至关重要。然而，现有的比较通用的转捩预测方法（如eN方法）非常依赖地面风洞实验和CFD计算，而地面风洞实验无法完全模拟天上真实的飞行条件。因此，提出一种天地数据关联方法，将地面风洞实验数据和CFD数据准确外推至真实飞行条件，具有非常重要的工程价值。

目前，对于高超声速边界层转捩天地相关性的研究还处于起步阶段。美国NASP计划中提出的BLT方法是一种考虑来流噪声等四个控制变量的天地差异对地面数据进行修正，从而获得天上数据的方法，即：

，(1)；

其中，表示天上飞行条件下的转捩雷诺数，表示地面风洞实验获得的转捩雷诺数，是某个控制变量的修正系数，下标“noise”、“Tw”、“k”、“Ts”分别表示噪声、壁温比、粗糙度、风洞尺寸。航天十一院的杨武兵和刘智勇基于此公式提出了一种转捩数据的天地相关性方法（专利号：CN108182312A）。北京大学的史明涛和李存标提出了一种采用其他控制变量修正的方法，即：

，(2)；

其中，f是修正函数。与之前的公式(1)方法相比，该方法考虑的控制变量分别是头部钝度雷诺数、壁温比、马赫数和噪声。该方法在大部分区域与HIFiRE-5b飞行实验结果能较好地吻合。

然而，不同控制变量对转捩天地差异的影响是耦合的，而非独立的。例如，不同马赫数下，壁温比对天地差异的影响截然不同。现有的天地相关性方法都是仅考虑某个控制变量单独对天地差异的影响，再将这些影响以简单的乘积方式计算它们对天地差异性的总影响。这就要求开展仅存在一个控制变量和天上飞行条件不同的地面风洞实验，其余控制变量必须完全相同，故此方法对地面风洞实验要求极高。现有的风洞实验条件难以满足此要求，故需要提出一种方法来降低对风洞实验的要求，同时满足工程上转捩预测精度要求的转捩天地相关性方法。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于高超声速边界层转捩天地数据关联的方法，解决现有技术存在的对风洞实验的要求高、转捩预测精度不够高等问题。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

一种用于高超声速边界层转捩天地数据关联的方法，将高超声速边界层的转捩天地相关性函数采用Taylor级数展开，考虑控制变量间的耦合作用，并利用地面风洞实验结果预测飞行条件下的高超声速边界层的转捩位置。

作为一种优选的技术方案，将高超声速边界层的转捩天地相关性函数采用Taylor级数展开，考虑各控制变量单独作用及各控制变量耦合作用对天地差异的影响，并利用地面风洞实验结果预测飞行条件下的高超声速边界层的转捩位置。

作为一种优选的技术方案，预测飞行条件下的高超声速边界层的转捩位置的具体方式是：计算得到飞行条件下的高超声速边界层的转捩雷诺数。

作为一种优选的技术方案，包括以下步骤：

S1，获得各控制变量独立作用的偏导数；

S2，获得各控制变量耦合作用的偏导数；