一種高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數值的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及現代高速飛行器設計技術領域，特別涉及一種高超聲速流動-傳熱與 結構響應的多場耦合瞬態數值的方法。
【背景技術】
[0002] 高超聲速飛行器的快速發展給熱防護設計帶來了更為嚴峻的挑戰。準確的預測氣 動熱/力環境、結構溫度和應力狀態，能夠在提高飛行器安全性能的同時減小熱防護系統 設計冗余，對提高飛行器的性能有著極為重要的意義。
[0003] 在現有技術中，傳統的高超聲速飛行器的熱/力載荷環境的預測與熱防護結構性 能的分析基本還處于分離狀態。現有技術中的方法一般都是首先在給定的等溫壁面條件下 進行流體計算，得到壁面熱流或傳熱系數；然后將得到的熱載荷作為邊界條件加載到結構 上進行熱分析得到固體熱分布；最后再根據該固體熱分布計算得到結構的應力和應變。
[0004] 現有技術中的上述方法實際上是把多物理場耦合的事實人為的分割成多個獨立 的物理場，并且也沒有考慮各個物理場之間的相互作用。因此，在這種情況下，既無法得到 精確的氣動熱/力載荷環境，也無法正確地評價熱防護材料及其結構的服役特征。
[0005] 高超聲速飛行熱防護設計是一個涉及到真實氣體效應、耦合傳熱和結構熱力響應 的復雜的多物理場耦合問題，必須采用多場耦合的方法求解。但是，由于多物理場耦合問題 的復雜性，還需要進一步開展分析方法研究，深刻把握防熱系統多場耦合規律及其效應。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明提供一種高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數值 的方法，從而可以實現高超聲速非平衡流動求解器與結構熱/力全耦合求解器相耦合的多 場耦合計算，使得對高超聲速飛行器的氣動熱力環境和結構熱力響應的預測更符合物理實 際，并可保證計算精度。
[0007] 本發明的技術方案具體是這樣實現的：
[0008] -種高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數值的方法，該方法包括：
[0009] A、預先建立多物理場耦合模型并設置當前邊界條件；
[0010] B、根據結構確定壁面溫度和位移邊界條件，在流體-固體耦合界面進行數據交 換，得到流體區域的當前溫度和位移邊界條件；
[0011] C、根據所述流體區域的當前溫度和位移邊界條件，在流體區域同時求解預設的各 個守恒方程的耦合解格式，在計算一個時間步At之后，得到當前的熱流和壓力；
[0012] D、根據當前的熱流和壓力，在流體-固體耦合界面進行數據交換，得到固體區域 的邊界條件；
[0013] E、根據所述固體區域的邊界條件，在固體區域通過熱力全耦合的方法進行求解， 計算一個時間步A t之后，得到壁面溫度Tw和結構位移u s;
[0014] F、判讀是否滿足預設的停止條件，如果是，則停止整個流程；否則，返回執行步驟 B0
[0015] 較佳的，所述設置當前邊界條件包括：
[0016] 由結構初始條件確定壁面溫度和位移邊界條件，進行高超聲速穩態流動計算，同 時求解預設的各個守恒方程的耦合解格式，得到初始熱流和初始壓力；
[0017] 將所述初始熱流和初始壓力作為當前邊界條件。
[0018] 較佳的，所述數據交換包括：關聯和插值。
[0019] 較佳的，在進行數據交換時：
[0020] 對于位移和溫度采用最近鄰居搜索方法計算；
[0021] 對于壓力和熱流通量等載荷則采用守恒插值方法。
[0022] 較佳的，所述停止條件為：當前的計算周期為最后一個計算周期。
[0023] 較佳的，所述各個守恒方程包括：
[0024] 連續守恒方程、動量守恒方程、能量等守恒方程和組分守恒方程。
[0025] 如上可見，通過使用本發明的高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數 值的方法，可以解決傳統方法中熱/力載荷環境的預測與熱防護結構性能分析互相分離的 問題，從而實現高超聲速非平衡流動求解器與結構熱/力全耦合求解器相耦合的多場耦合 計算，使得對高超聲速飛行器的氣動熱力環境和結構熱力響應的預測更符合物理實際；而 且，由于本發明中考慮了真實氣體效應、耦合傳熱和結構熱力全耦合等復雜的效應，從而還 可以大大提高高超聲速飛行器熱/力載荷環境和結構響應預測的計算精度。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發明實施例中的高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數值的 方法的流程示意圖。
[0027] 圖2為本發明實施例中的多物理場耦合模型的示意圖。
[0028] 圖3為本發明實施例中的耦合策略示意圖。
[0029] 圖4為本發明實施例中的圓柱繞流計算模型。
[0030] 圖5為本發明實施例中計算得到的駐點溫度隨時間變化圖。
[0031] 圖6為本發明實施例中計算得到的駐點熱流隨時間變化圖。
[0032] 圖7為本發明實施例中計算得到的表面溫度分布。
[0033] 圖8為本發明實施例中計算得到的結構Mises應力和位移圖。
【具體實施方式】
[0034] 為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對 本發明進一步詳細說明。
[0035] 本實施例提供了一種高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數值的方 法。
[0036] 圖1為本發明實施例中的高超聲速流動-傳熱與結構響應的多場耦合瞬態數值的 方法的流程示意圖。如圖1所示，本發明實施例中的高超聲速流動-傳熱與結構響應的多 場耦合瞬態數值的方法可以包括如下所述的步驟：
[0037] 步驟11，預先建立多物理場耦合模型并設置當前邊界條件。
[0038] 在本發明的技術方案中，首先需要預先建立相應的多物理場耦合模型。
[0039] 在本發明的技術方案中，可以根據實際應用的需要，建立所需的多物理場耦合模 型。一般來說，可以使用多種方法來建立所述多物理場耦合。以下將以其中的一種具體實 施方式為例，對本發明的技術方案進行詳細的介紹。
[0040] 例如，圖2為本發明實施例中的多物理場耦合模型的示意圖。如圖2所示，本發 明中的多物理場耦合模型具體可以包括：用于流體區域的流體分析模型、用于固體區域的 熱-結構分析模型和用于數據交換的數據交換模型。
[0041] 在所述用于流體區域的流體分析模型中，主要是利用同時求解連續、動量、能量等 守恒方程的耦合解格式進行流體區域中的氣動熱與氣動力分析，得到壁面熱流qJP壁面壓 力P w。
[0042] 在用于固體區域的熱-結構分析模型中，主要是利用熱力全耦合方法來進行 熱-結構分析，得到壁面溫度T w和結構位移u s。
[0043] 在用于數據交換的數據交換模型中，主要是利用關聯和插值等方法，將流體分析 模型的結果和熱-結構分析模型的結果在網格間進行參數交換。
[0044] 圖3為本發明實施例中的耦合策略示意圖。如圖3所示，在本發明的技術方案中， 可以采用分區求解方法完成對高超聲速流動-傳熱和結構響應的耦合分析。其中，在流體 區域和固體區域的求解器均為瞬態求解，每個求解器所需要的數據在耦合界面上將進行反 復交換。以下，將對上述耦合策略進行詳細的介紹。
[0045] 另外，在本發明的技術方案中，在進行上述耦合策略之前，還需要預先設置當前邊 界條件。
[0046] 在本發明的技術方案中，可以根據實際應用的需要，使用多種方法來建預先設置 當前邊界條件。以下將以其中的一種【具體實施方式】為例，對本發明的技術方案進行詳細的 介紹。
[0047] 較佳的，在本發明的具體實施例中，所述設置當前邊界條件可以包括：
[0048] 步驟11a，由結構初始條件確定壁面溫度和位移邊界條件，進行高超聲速穩態流動 計算，同時求解預設的各個守恒方程的耦合解格式，得到初始熱流和初始壓力。
[0049] 在本步驟中，可以求解瞬態耦合分析的初始條件。即由結構初始條件確定壁面溫 度和位移邊界條件，進行高超聲速穩態流動計算，并將計算果作為瞬態耦合分析的初始條 件，即初始熱流和初始壓力。
[0050] 在本發明的技術方案中，可以使用多種【具體實施方式】來實現上述的步驟11a，以下 將以其中的一種【具體實施方式】為例，對本發明的技術方案進行詳細的介紹。
[0051] 例如，在本發明的較佳實施例中，所述各個守恒方程包括：連續守恒方程、動量守 恒方程和能量等守恒方程。