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基于數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜外形飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法與流程

文檔序號:11951195閱讀:339來源:國知局
基于數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜外形飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法與流程

本發(fā)明涉及一種分布式熱環(huán)境參數(shù)快速預(yù)測方法,主要用于沿典型彈道快速預(yù)測具有翼、舵等部件的復(fù)雜外形飛行器各部位熱環(huán)境參數(shù),屬于航天器熱環(huán)境設(shè)計(jì)領(lǐng)域。



背景技術(shù):

飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測是防隔熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前提,傳統(tǒng)外形簡單的航天器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測可以通過地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)或氣動熱工程預(yù)測方法獲得。但是高速航天器外形復(fù)雜,氣流相互干擾、激波干擾特征明顯,熱環(huán)境精確預(yù)測難度較大,采用地面風(fēng)洞試驗(yàn)時的模擬參數(shù)無法對高速飛行環(huán)境進(jìn)行覆蓋和完全模擬,適用于傳統(tǒng)球錐類簡單外形的氣動熱工程預(yù)測方法不適用于復(fù)雜外形,尤其是對局部干擾區(qū)熱環(huán)境預(yù)測更是無能為力。同時,采用大規(guī)模并行數(shù)值計(jì)算的方式可以進(jìn)行飛行器熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測,但是其預(yù)測周期過長,難度大、效率低下,難以在復(fù)雜外形飛行器方案設(shè)計(jì)階段為防隔熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。因此亟需一種適用于高速復(fù)雜外形飛行器的分布式三維熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供基于數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜外形飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法,能夠全面精確預(yù)測分布式熱環(huán)境參數(shù),預(yù)測周期短,效率高,為飛行器防隔熱系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:基于數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜外形飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法,包括如下步驟:

(1)根據(jù)地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)測量數(shù)據(jù),選擇一種合適的數(shù)值計(jì)算方法;

(2)建立一套四邊形網(wǎng)格作為飛行器表面基準(zhǔn)網(wǎng)格;

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的飛行器高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏的使用范圍,利用選擇的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,獲得每組高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏狀態(tài)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù),進(jìn)入步驟(4);

(4)把每組高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏狀態(tài)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù)投影到步驟(2)建立的飛行器表面基準(zhǔn)網(wǎng)格中,得到飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫,進(jìn)入步驟(5);

(5)利用飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行彈道參數(shù)分析,判斷飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫是否覆蓋彈道上每個點(diǎn)的高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏參數(shù),如果全覆蓋或部分覆蓋,則進(jìn)入步驟(6),否則,擴(kuò)大飛行器高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏的使用范圍,進(jìn)入步驟(3);

(6)采用POD方法對覆蓋部分進(jìn)行分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測,得到實(shí)際飛行彈道上每個點(diǎn)的高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏狀態(tài)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù)。

所述步驟(1)的實(shí)現(xiàn)方法如下:

(2.1)選擇飛行器的一個典型工況,采用常用的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算,得到飛行器表面熱流參數(shù);

(2.2)將不同數(shù)值計(jì)算方法得到的飛行器表面熱流參數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?,拋棄偏差較大的數(shù)值計(jì)算方法;

(2.3)利用經(jīng)過步驟(2.2)后剩余的數(shù)值計(jì)算方法,針對地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)?zāi)P秃驮囼?yàn)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并對比結(jié)果,拋棄與地面風(fēng)洞試驗(yàn)測得的測試熱流偏差最大的結(jié)果對應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法,所述地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)?zāi)P褪菍?shí)際飛行器的等比例縮小模型;

(2.4)利用與設(shè)計(jì)飛行器氣動布局相近、且已經(jīng)開展過飛行試驗(yàn)的飛行器實(shí)際飛行時的表面熱流參數(shù),與經(jīng)過步驟(2.3)后剩余的數(shù)值計(jì)算方法在相同狀態(tài)下得到的飛行器表面熱流參數(shù)進(jìn)行對比,選擇計(jì)算結(jié)果與實(shí)際飛行時表面熱流參數(shù)最接近的數(shù)值計(jì)算方法。

所述步驟(2.2)的實(shí)現(xiàn)方法如下:

(3.1)對所有數(shù)值計(jì)算方法得到的飛行器表面第s個點(diǎn)的熱流參數(shù)計(jì)算平均值qavgs;

(3.2)判斷qns和qavgs是否滿足|qns-qavgs|≥δ,δ=5%×qavgs,如果滿足,拋棄第n種數(shù)值計(jì)算方法,否則,保留第n種數(shù)值計(jì)算方法,其中qns表示第n種數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算得到的飛行器表面第s個點(diǎn)的熱流參數(shù)。

所述步驟(6)的實(shí)現(xiàn)方法如下:

(4.1)通過POD方法,根據(jù)數(shù)據(jù)庫獲得L組線性無關(guān)的正交基簡稱POD基,其中L≤M,Uj表示第j組高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏狀態(tài)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù),L表示飛行器工況參數(shù)組成的狀態(tài)空間,M表示飛行器的高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏狀態(tài)組合數(shù);

(4.2)將數(shù)據(jù)庫向POD基投影,獲得第i個POD基的投影系數(shù)在M個離散點(diǎn)處的投影系數(shù)所述

(4.3)通過插值方法,獲得的近似連續(xù)函數(shù);

(4.4)根據(jù)q點(diǎn)處的所有POD基系數(shù)bi,利用計(jì)算q處的熱流參數(shù)U(q)。

所述步驟(4.3)的插值方法如下:

(5.1)將數(shù)據(jù)庫各狀態(tài)點(diǎn)對應(yīng)的高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏參數(shù)分別除以各自的去量綱數(shù)si,使高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏參數(shù)各自變化1個單位時對飛行器表面熱流的影響程度基本一致,從而定義一個由來流參數(shù)組成的空間:

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其中,為攻角、為馬赫數(shù)、為高度、為舵偏;

(5.2)在步驟(5.1)中的空間內(nèi)采用多元函數(shù)的徑向基函數(shù)插值方法求解

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下有益效果:

(1)基于數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜外形飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法能夠快速獲得沿彈道復(fù)雜外形飛行器表面分布式熱環(huán)境參數(shù),該方法耗時短、精度高,能夠全面精確預(yù)測分布式熱環(huán)境參數(shù),從而提高復(fù)雜外形飛行器防隔熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度,大幅降低設(shè)計(jì)時間,解決了地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)、工程預(yù)測方法以及數(shù)值計(jì)算方法無法滿足復(fù)雜氣動熱環(huán)境設(shè)計(jì)的問題。

(2)本發(fā)明采用POD方法對飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行本征正交分解,得到數(shù)據(jù)庫的正交基向量,通過對基向量系數(shù)的插值可以快速地預(yù)測某狀態(tài)下飛行器表面熱環(huán)境參數(shù),而不需要重新啟動CFD求解器開展數(shù)值計(jì)算,極大提高了預(yù)測效率,降低了預(yù)測周期。

(3)本發(fā)明采用徑向基函數(shù)插值方法能夠有效地處理多維飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫問題,不僅結(jié)果精度高而且對數(shù)據(jù)庫狀態(tài)點(diǎn)的分布要求低。

附圖說明:

圖1是基于數(shù)據(jù)庫的復(fù)雜外形飛行器分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法的流程圖;

圖2是實(shí)施例采用的數(shù)據(jù)庫狀態(tài)點(diǎn)及預(yù)測點(diǎn)、預(yù)測彈道參數(shù),其中(a)為高度‐攻角分布情況,(b)為高度‐馬赫數(shù)分布情況;

圖3是預(yù)測點(diǎn)Object Point1狀態(tài)下熱流參數(shù)等值線對比圖,其中(a)為迎風(fēng)面熱流參數(shù)等值線對比圖,(b)為背風(fēng)面熱流參數(shù)等值線對比圖;

圖4是預(yù)測點(diǎn)Object Point1狀態(tài)下典型截面熱流參數(shù)對比圖,其中(a)為展向截面x=65mm的熱流參數(shù)示意圖,(b)為展向截面x=220mm的熱流參數(shù)示意圖,(c)為展向截面z=5mm的熱流參數(shù)示意圖,(d)為展向截面z=75mm的熱流參數(shù)示意圖;

圖5是沿trajectory彈道預(yù)測選擇的飛行器表面分析關(guān)注點(diǎn)示意圖;

圖6是沿trajectory彈道各關(guān)注點(diǎn)的分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式:

本發(fā)明通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)、不同數(shù)值方法計(jì)算結(jié)果的對比分析,選擇合適的氣動熱環(huán)境數(shù)值計(jì)算方法使其滿足熱環(huán)境設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的預(yù)測精度要求,進(jìn)而針對飛行器外形和典型彈道建立熱環(huán)境數(shù)值仿真結(jié)果數(shù)據(jù)庫,通過對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行降階處理,獲得包含了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的絕大部分信息,最后用插值POD技術(shù)實(shí)現(xiàn)氣動熱環(huán)境參數(shù)快速預(yù)測,通過對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行分析,能夠得到復(fù)雜外形飛行器表面各點(diǎn)氣動熱環(huán)境空間分布特征及干擾特征,為飛行器防隔熱系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。具體流程如圖1所示,包括如下步驟:

(1)利用如下方法,選擇一種合適的數(shù)值計(jì)算方法:

(1.1)選擇飛行器的一個典型工況(對應(yīng)一組具體的工況參數(shù)),采用常用的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算,得到飛行器表面熱流參數(shù),常用的數(shù)值方法包括AUSM、AUSMPW、ROE等通量差分格式。

(1.2)將不同數(shù)值計(jì)算方法得到的飛行器表面熱流參數(shù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?,對所有?shù)值計(jì)算方法得到的飛行器表面第s個點(diǎn)的熱流參數(shù)計(jì)算平均值qavgs,判斷qns和qavgs是否滿足|qns-qavgs|≥δ,δ=5%×qavgs,如果滿足,拋棄第n種數(shù)值計(jì)算方法,否則,保留第n種數(shù)值計(jì)算方法,其中qns表示第n種數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算得到的飛行器表面第s個點(diǎn)的熱流參數(shù)。

(1.3)利用經(jīng)過步驟(1.2)后剩余的數(shù)值計(jì)算方法,針對地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)?zāi)P秃驮囼?yàn)狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算并對比結(jié)果,拋棄與試驗(yàn)狀態(tài)測試熱流偏差最大的結(jié)果對應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法,地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)?zāi)P褪菍?shí)際飛行器的等比例縮小模型。

(1.4)利用與設(shè)計(jì)飛行器氣動布局相近,且已經(jīng)開展過飛行試驗(yàn)的飛行器實(shí)際飛行時的表面實(shí)測熱流參數(shù),與經(jīng)過步驟(1.3)后剩余的數(shù)值計(jì)算方法在同樣狀態(tài)下得到的飛行器表面熱流參數(shù)與實(shí)際飛行時的表面熱流參數(shù)進(jìn)行對比,選擇計(jì)算結(jié)果與實(shí)際飛行時表面熱流參數(shù)最接近的數(shù)值計(jì)算方法。上述飛行器氣動布局相近指的是飛行器固定類部件外形類似,活動類的控制部件布局相同,比如:身部都屬于升力體外形,控制舵都采用迎風(fēng)面布局的FLAP舵。

(2)建立一套四邊形網(wǎng)格作為飛行器表面基準(zhǔn)網(wǎng)格。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的飛行器工況參數(shù)的使用范圍,利用選擇的數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,獲得每組工況參數(shù)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù),進(jìn)入步驟(4)。每組工況參數(shù)稱為一個狀態(tài)點(diǎn),工況參數(shù)包括高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏。

(4)把每組工況參數(shù)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù)投影到步驟(2)建立的飛行器表面基準(zhǔn)網(wǎng)格中,得到飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫,進(jìn)入步驟(5)。

(5)利用飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行彈道參數(shù)分析,判斷飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫是否覆蓋彈道上每個點(diǎn)的工況參數(shù),如果全覆蓋或部分覆蓋,則進(jìn)入步驟(6),否則,擴(kuò)大飛行器工況參數(shù)的使用范圍,進(jìn)入步驟(3)。

(6)采用POD方法對覆蓋部分進(jìn)行分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測,得到實(shí)際飛行彈道上每個點(diǎn)的工況參數(shù)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù)。

采用POD方法對覆蓋部分進(jìn)行分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測的過程如下:

(6.1)通過POD方法,根據(jù)數(shù)據(jù)庫獲得L組線性無關(guān)的正交基簡稱POD基,實(shí)現(xiàn)降階處理,其中L≤M,Uj表示第j組工況參數(shù)對應(yīng)的飛行器表面熱流參數(shù),L表示工況參數(shù)組成的狀態(tài)空間,M表示飛行器狀態(tài)點(diǎn)個數(shù)。

(6.2)將數(shù)據(jù)庫向POD基投影,獲得第i個POD基的投影系數(shù)在M個離散點(diǎn)處的投影系數(shù)

(6.3)通過插值方法,獲得的近似連續(xù)函數(shù)。

插值方法如下:

將數(shù)據(jù)庫各狀態(tài)點(diǎn)對應(yīng)的工況參數(shù)分別除以各自的去量綱數(shù)si,去量綱數(shù)值的選取一般通過經(jīng)驗(yàn)給出。主要是使得工況參數(shù)各自變化1個單位時對飛行器表面熱流的影響程度基本一致。

以工況參數(shù)為高度、馬赫數(shù)、攻角和舵偏參數(shù)為例,由來流參數(shù)組成的空間為

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實(shí)際上,工況參數(shù)還可以擴(kuò)展為高度、馬赫數(shù)、攻角、舵偏、側(cè)滑角、傾側(cè)角等L個飛行器飛行工況的表征參數(shù),此時可以定義一個由來流參數(shù)組成的L維空間:

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其中,為攻角、為馬赫數(shù)、為高度、為舵偏。

在L維空間內(nèi)采用多元函數(shù)f(x)的徑向基函數(shù)插值方法進(jìn)行求解。

徑向基函數(shù)插值可以表示為:

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其中Φ(x-xj)為徑向基函數(shù),αj為待求系數(shù)。

(6.4)根據(jù)q點(diǎn)處的所有POD基系數(shù)bi,利用計(jì)算q處的熱流參數(shù)U(q)。

實(shí)施例:

針對Hermes航天飛機(jī)試驗(yàn)?zāi)P烷_展分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測,該模型沒有空氣舵,因此,選用的工況參數(shù)為高度、馬赫數(shù)和攻角。

根據(jù)飛行高度H、飛行馬赫數(shù)Ma、攻角ALF使用范圍構(gòu)建數(shù)據(jù)庫,假定:高度H在45km~70km之間,馬赫數(shù)Ma在14~22,攻角ALF在0°~15°之間。根據(jù)地面風(fēng)洞測熱試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)測量數(shù)據(jù),空間離散格式采用Roe格式的數(shù)值計(jì)算方法適用于該外形和工況參數(shù)的表面熱流計(jì)算。

圖2給出了所建立的飛行器表面熱流參數(shù)數(shù)據(jù)庫狀態(tài)點(diǎn)對應(yīng)的的高度,馬赫數(shù)和攻角分布情況,其中(a)為高度‐攻角分布情況,(b)為高度‐馬赫數(shù)分布情況,共計(jì)34個狀態(tài)點(diǎn),如圖中圓圈所示;Object point1和Object point2是要預(yù)測的狀態(tài),其中Object point1表示在數(shù)據(jù)庫的包絡(luò)內(nèi),數(shù)據(jù)庫能夠覆蓋該預(yù)測點(diǎn)參數(shù),Object point2表示在數(shù)據(jù)庫的包絡(luò)外,數(shù)據(jù)庫不能覆蓋該預(yù)測點(diǎn)參數(shù);trajectory為某典型彈道參數(shù),數(shù)據(jù)庫能夠覆蓋該該彈道各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)。因此可以利用該數(shù)據(jù)庫對Object point1預(yù)測點(diǎn)和trajectory彈道進(jìn)行分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測。

將圖2中Object point1的預(yù)測結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比,見圖3、圖4,圖3是預(yù)測點(diǎn)Object Point1狀態(tài)下熱流參數(shù)等值線對比圖,其中(a)為迎風(fēng)面熱流參數(shù)等值線對比圖,(b)為背風(fēng)面熱流參數(shù)等值線對比圖。圖4是預(yù)測點(diǎn)Object Point1狀態(tài)下典型截面熱流參數(shù)對比圖,其中(a)為展向截面x=65mm的熱流參數(shù)示意圖,(b)為展向截面x=220mm的熱流參數(shù)示意圖,(c)為展向截面z=5mm的熱流參數(shù)示意圖,(d)為展向截面z=75mm的熱流參數(shù)示意圖。圖3和圖4中POD表示采用本發(fā)明的分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法得到的結(jié)果,CFD表示采用數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果。迎、背風(fēng)面熱流等值線對比結(jié)果可見預(yù)測結(jié)果能夠清晰的反映飛行器迎、背風(fēng)大面積氣動加熱特征。x=65mm,220mm和z=5mm,75mm四個截面熱流密度的對比表明預(yù)測結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致,最大偏差不超過15%。

如圖5所示,沿trajectory彈道選擇飛行器表面3個點(diǎn)進(jìn)行分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測。圖6給出了預(yù)測結(jié)果,其中POD表示采用本發(fā)明的分布式熱環(huán)境參數(shù)預(yù)測方法得到的結(jié)果,Engineer Method表示工程估算方法得到的結(jié)果,可以看出工程計(jì)算結(jié)果與POD結(jié)果變化規(guī)律基本一致,POD結(jié)果能夠反映出飛行器迎風(fēng)面熱流從前緣高熱流到中心線低熱流逐漸變化的過程,能夠得到迎風(fēng)面各點(diǎn)更加真實(shí)的氣動熱環(huán)境參數(shù),但工程估算方法無法很好的預(yù)測出迎風(fēng)面熱環(huán)境這一空間變化特性。在熱環(huán)境數(shù)據(jù)庫完備的前提下,針對trajectory彈道采用快速預(yù)測方法時間為33s,而開展大規(guī)模并行數(shù)值計(jì)算僅僅彈道上單個點(diǎn)狀態(tài)數(shù)值計(jì)算最少需要36小時,充分說明本發(fā)明的分布式熱環(huán)境預(yù)測方法能夠大幅度降低預(yù)測時間。

本發(fā)明通過建立的飛行器表面熱流數(shù)據(jù)庫,利用POD方法對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行降階處理,結(jié)合相應(yīng)的基系數(shù)插值方法,能夠快速沿彈道預(yù)測飛行器表面熱環(huán)境參數(shù)。該方法能夠真實(shí)的反映出復(fù)雜外形飛行器表面各點(diǎn)氣動熱環(huán)境空間分布特征及干擾特征,和數(shù)值結(jié)果對比表明,該方法能夠大幅提高計(jì)算效率,并且不損失預(yù)測精度。通過沿彈道各點(diǎn)為防熱溫度場計(jì)算提供表面分布式熱流,能夠得到更加精細(xì)的溫度分布,從而提高整個防隔熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平。

本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。

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