一种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及现代高速飞行器设计技术领域，特别涉及一种高超声速流动-传热与 结构响应的多场耦合瞬态数值的方法。
【背景技术】
[0002] 高超声速飞行器的快速发展给热防护设计带来了更为严峻的挑战。准确的预测气 动热/力环境、结构温度和应力状态，能够在提高飞行器安全性能的同时减小热防护系统 设计冗余，对提高飞行器的性能有着极为重要的意义。
[0003] 在现有技术中，传统的高超声速飞行器的热/力载荷环境的预测与热防护结构性 能的分析基本还处于分离状态。现有技术中的方法一般都是首先在给定的等温壁面条件下 进行流体计算，得到壁面热流或传热系数；然后将得到的热载荷作为边界条件加载到结构 上进行热分析得到固体热分布；最后再根据该固体热分布计算得到结构的应力和应变。
[0004] 现有技术中的上述方法实际上是把多物理场耦合的事实人为的分割成多个独立 的物理场，并且也没有考虑各个物理场之间的相互作用。因此，在这种情况下，既无法得到 精确的气动热/力载荷环境，也无法正确地评价热防护材料及其结构的服役特征。
[0005] 高超声速飞行热防护设计是一个涉及到真实气体效应、耦合传热和结构热力响应 的复杂的多物理场耦合问题，必须采用多场耦合的方法求解。但是，由于多物理场耦合问题 的复杂性，还需要进一步开展分析方法研究，深刻把握防热系统多场耦合规律及其效应。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供一种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值 的方法，从而可以实现高超声速非平衡流动求解器与结构热/力全耦合求解器相耦合的多 场耦合计算，使得对高超声速飞行器的气动热力环境和结构热力响应的预测更符合物理实 际，并可保证计算精度。
[0007] 本发明的技术方案具体是这样实现的：
[0008] -种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方法，该方法包括：
[0009] A、预先建立多物理场耦合模型并设置当前边界条件；
[0010] B、根据结构确定壁面温度和位移边界条件，在流体-固体耦合界面进行数据交 换，得到流体区域的当前温度和位移边界条件；
[0011] C、根据所述流体区域的当前温度和位移边界条件，在流体区域同时求解预设的各 个守恒方程的耦合解格式，在计算一个时间步At之后，得到当前的热流和压力；
[0012] D、根据当前的热流和压力，在流体-固体耦合界面进行数据交换，得到固体区域 的边界条件；
[0013] E、根据所述固体区域的边界条件，在固体区域通过热力全耦合的方法进行求解， 计算一个时间步A t之后，得到壁面温度Tw和结构位移u s;
[0014] F、判读是否满足预设的停止条件，如果是，则停止整个流程；否则，返回执行步骤 B0
[0015] 较佳的，所述设置当前边界条件包括：
[0016] 由结构初始条件确定壁面温度和位移边界条件，进行高超声速稳态流动计算，同 时求解预设的各个守恒方程的耦合解格式，得到初始热流和初始压力；
[0017] 将所述初始热流和初始压力作为当前边界条件。
[0018] 较佳的，所述数据交换包括：关联和插值。
[0019] 较佳的，在进行数据交换时：
[0020] 对于位移和温度采用最近邻居搜索方法计算；
[0021] 对于压力和热流通量等载荷则采用守恒插值方法。
[0022] 较佳的，所述停止条件为：当前的计算周期为最后一个计算周期。
[0023] 较佳的，所述各个守恒方程包括：
[0024] 连续守恒方程、动量守恒方程、能量等守恒方程和组分守恒方程。
[0025] 如上可见，通过使用本发明的高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数 值的方法，可以解决传统方法中热/力载荷环境的预测与热防护结构性能分析互相分离的 问题，从而实现高超声速非平衡流动求解器与结构热/力全耦合求解器相耦合的多场耦合 计算，使得对高超声速飞行器的气动热力环境和结构热力响应的预测更符合物理实际；而 且，由于本发明中考虑了真实气体效应、耦合传热和结构热力全耦合等复杂的效应，从而还 可以大大提高高超声速飞行器热/力载荷环境和结构响应预测的计算精度。
【附图说明】
[0026] 图1为本发明实施例中的高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的 方法的流程示意图。
[0027] 图2为本发明实施例中的多物理场耦合模型的示意图。
[0028] 图3为本发明实施例中的耦合策略示意图。
[0029] 图4为本发明实施例中的圆柱绕流计算模型。
[0030] 图5为本发明实施例中计算得到的驻点温度随时间变化图。
[0031] 图6为本发明实施例中计算得到的驻点热流随时间变化图。
[0032] 图7为本发明实施例中计算得到的表面温度分布。
[0033] 图8为本发明实施例中计算得到的结构Mises应力和位移图。
【具体实施方式】
[0034] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对 本发明进一步详细说明。
[0035] 本实施例提供了一种高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的方 法。
[0036] 图1为本发明实施例中的高超声速流动-传热与结构响应的多场耦合瞬态数值的 方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例中的高超声速流动-传热与结构响应的多 场耦合瞬态数值的方法可以包括如下所述的步骤：
[0037] 步骤11，预先建立多物理场耦合模型并设置当前边界条件。
[0038] 在本发明的技术方案中，首先需要预先建立相应的多物理场耦合模型。
[0039] 在本发明的技术方案中，可以根据实际应用的需要，建立所需的多物理场耦合模 型。一般来说，可以使用多种方法来建立所述多物理场耦合。以下将以其中的一种具体实 施方式为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。
[0040] 例如，图2为本发明实施例中的多物理场耦合模型的示意图。如图2所示，本发 明中的多物理场耦合模型具体可以包括：用于流体区域的流体分析模型、用于固体区域的 热-结构分析模型和用于数据交换的数据交换模型。
[0041] 在所述用于流体区域的流体分析模型中，主要是利用同时求解连续、动量、能量等 守恒方程的耦合解格式进行流体区域中的气动热与气动力分析，得到壁面热流qJP壁面压 力P w。
[0042] 在用于固体区域的热-结构分析模型中，主要是利用热力全耦合方法来进行 热-结构分析，得到壁面温度T w和结构位移u s。
[0043] 在用于数据交换的数据交换模型中，主要是利用关联和插值等方法，将流体分析 模型的结果和热-结构分析模型的结果在网格间进行参数交换。
[0044] 图3为本发明实施例中的耦合策略示意图。如图3所示，在本发明的技术方案中， 可以采用分区求解方法完成对高超声速流动-传热和结构响应的耦合分析。其中，在流体 区域和固体区域的求解器均为瞬态求解，每个求解器所需要的数据在耦合界面上将进行反 复交换。以下，将对上述耦合策略进行详细的介绍。
[0045] 另外，在本发明的技术方案中，在进行上述耦合策略之前，还需要预先设置当前边 界条件。
[0046] 在本发明的技术方案中，可以根据实际应用的需要，使用多种方法来建预先设置 当前边界条件。以下将以其中的一种【具体实施方式】为例，对本发明的技术方案进行详细的 介绍。
[0047] 较佳的，在本发明的具体实施例中，所述设置当前边界条件可以包括：
[0048] 步骤11a，由结构初始条件确定壁面温度和位移边界条件，进行高超声速稳态流动 计算，同时求解预设的各个守恒方程的耦合解格式，得到初始热流和初始压力。
[0049] 在本步骤中，可以求解瞬态耦合分析的初始条件。即由结构初始条件确定壁面温 度和位移边界条件，进行高超声速稳态流动计算，并将计算果作为瞬态耦合分析的初始条 件，即初始热流和初始压力。
[0050] 在本发明的技术方案中，可以使用多种【具体实施方式】来实现上述的步骤11a，以下 将以其中的一种【具体实施方式】为例，对本发明的技术方案进行详细的介绍。
[0051] 例如，在本发明的较佳实施例中，所述各个守恒方程包括：连续守恒方程、动量守 恒方程和能量等守恒方程。