[发明专利]一种高速飞行器气动力性能评估方法

说明书

本发明公开了一种高速飞行器气动力性能评估方法，涉及飞行器研究领域，本方法基于外区大尺度湍流结构对近壁湍流脉动的叠加效应和调制效应，根据速度‑温度脉动的广义雷诺比拟，建立高雷诺数壁湍流壁面摩阻和热流脉动预测模型，进而实现基于流场可测信号的可压缩高雷诺数湍流壁面摩阻和热流脉动的准确预测，进而实现高速飞行器气动力性能的准确评估。

技术领域

本发明涉及飞行器研究领域，具体地，涉及一种高速飞行器气动力性能评估方法。

背景技术

飞行器气动设计与评估是飞行器研制过程中的重要环节。飞行器气动设计是对飞行器的布局形式和几何参数进行优化选取，以提高气动和飞行性能的过程。飞行器性能评估则是指在飞行器设计和使用过程中，通过风洞试验、数值计算、飞行仿真、飞行试验等手段，对飞行器的气动、飞行、飞控、隐身、结构强度、动力等性能进行评价的过程。二者是一个有机的整体，飞行器气动设计的优劣需要通过评估来判断，而气动设计的创新又会不断推动评估方法和手段的发展。

高雷诺数壁湍流是航空航天领域的重要流动问题，具有很高的科学/工程价值。随着雷诺数增加，外区（，为外尺度，即）大尺度运动增强，对数区以上的大尺度结构（长度大于2倍边界层厚度）对壁面阻力、热流和近壁湍流脉动具有重要影响。深入认识外区大尺度结构对近壁区小尺度（长度小于2倍边界层厚度）湍流脉动的影响规律、准确预测近壁湍流脉动对高速飞行器气动力性能的评估、优化和发展具有重要的意义。近些年来人们已经开展了大量相关研究，揭示了湍流脉动对壁面平均阻力和平均热流的贡献。然而对平均阻力和热流的准确预测不足以完整地预报飞行器的气动性能。研究表明，湍流脉动在壁面处引起的强剪切事件会导致局部壁面切应力和热流脉动超出其平均值的3-5倍，极易造成高速飞行器结构强度不足和热防护失效。因此，准确预测壁面阻力和热流脉动具有重要的工程应用价值。

外区大尺度结构能够对内区（，为内尺度，即采用粘性尺度无量纲化）湍流产生影响，在近壁区留下“脚印”，这一现象称为“叠加效应”；近壁区小尺度湍流脉动强度在大尺度高速区下增强，在大尺度低速区下削弱，内区小尺度脉动与外区大尺度湍流脉动之间具有强相关性，这种非线性相互作用称为“幅值调制效应”。基于上述叠加和调制效应，墨尔本大学的Marusic等人提出了近壁区流向速度脉动的预测模型，并基于此提出了壁面摩阻脉动强度随雷诺数变化趋势的预测方法，但该模型仅针对不可压缩壁湍流，且只对壁面摩阻脉动进行了定性描述。而对于可压缩壁湍流，近壁预测模型的研究非常有限。在可压缩湍流中，一般认为密度加权的速度脉动强度与相同雷诺数下不可压缩湍流结果一致，因而在预测模型中需要考虑平均密度的变化。Helm等人于2014年提出了近壁速度和温度脉动的预测模型，可以给出较好的速度和温度的脉动强度，其中近壁区温度脉动预测模型与速度脉动的模型类似，然而预测公式和强雷诺比拟之间缺乏明显的关联，导致预测方法的物理意义并不明确，且误差较大。

目前尚没有预测准确、普适性好且物理意义明确的可压缩壁湍流壁面摩阻和热流脉动的预测方法，进而导致目前的基于壁面摩阻脉动和壁面热流脉动的飞行器气动力性能评估结果并不准确。

发明内容

本发明目的是提高高速飞行器气动力性能评估的准确性。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种高速飞行器气动力性能评估方法，所述方法包括：

构建飞行器壁面摩阻脉动预测模型和飞行器壁面热流脉动预测模型；

通过数值模拟或实验标定获得第一中间量数据和第二中间量数据，所述第一中间量数据包括：飞行器壁面摩阻脉动预测相关调制系数、飞行器壁面摩阻脉动预测相关普适信号、飞行器壁面摩阻脉动预测相关相位差和飞行器壁面摩阻脉动预测相关线性随机预估核函数；所述第二中间量数据包括：飞行器壁面热流脉动预测相关调制系数、飞行器壁面热流脉动预测相关普适信号、飞行器壁面热流脉动预测相关相位差和飞行器壁面热流脉动预测相关线性随机预估核函数；

获得第一区域中第一预设尺寸结构的流向速度信号和展向速度信号，将所述流向速度信号和所述展向速度信号变换到谱空间获得第一信号和第二信号，