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气动热数值模拟中壁面热流后处理方法

航空动力学报 2014年第11期29卷 2652-2658页

作者：张胜涛陈方刘洪上海交通大学航空航天学院上海200240

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果... 详细信息

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果也会有较大差异,且表现出不同的网格依赖性.微分法对网格的依赖性较大,单纯提高差分精度不一定能够减弱网格依赖性和提高计算精度,还与近壁处网格分布密切相关;积分法从能量平衡积分方程出发,极大地减弱了网格依赖性,具有较高的计算精度.所提出方法具有与积分法相当的网格依赖性和计算精度,尤其在驻点区域,其网格依赖性更弱于积分法,且计算简单,提高了计算效率.

关键词：壁面热流后处理方法高超声速气动热网格尺度计算流体力学

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气动热数值模拟中的网格相关性及收敛

航空学报 2010年第3期31卷 493-499页

作者：潘沙冯定华丁国昊田正雨杨越明李桦国防科学技术大学航天与材料工程学院湖南长沙410073 空军航空大学航空理论系吉林长春130022

针对气动热数值模拟中的网格相关性和收敛问题,采用计算流体力学(CFD)计算方法,以典型的钝头为算例,进行了数值模拟研究。研究结果表明:网格是气动热数值模拟中的关键因素,壁面附近法向网格间距最为敏感,热流结果随网格间距不同会出现... 详细信息

针对气动热数值模拟中的网格相关性和收敛问题,采用计算流体力学(CFD)计算方法,以典型的钝头为算例,进行了数值模拟研究。研究结果表明:网格是气动热数值模拟中的关键因素,壁面附近法向网格间距最为敏感,热流结果随网格间距不同会出现数倍乃至数量级的差异,在得出正确的壁面压力结果的网格上不能保证得到正确的热流结果。分析认为壁面附近客观存在的巨大温度梯度是网格要求敏感的原因。计算表明:气动热计算的收敛过程比压力和流场收敛慢得多;在压力和流场完全收敛时,热流与最终的迭代收敛值偏差达20%以上;以方程残值的下降量级和压力收敛作为热流收敛的判别标准是不合适的。在气动热计算中,应直接观察热流数据的收敛,确保得到真正的收敛解。

关键词：计算流体力学气动热数值模拟网格收敛高超声速

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一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

宇航学报 2020年第12期41卷 1525-1532页

作者：王宏宇王辉石义雷龙正义毛春满李杰中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题,设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计,采用空气隔热设计方式降低其侧向传热,实现了有效一维传热,延长了测试时间;并通过热流传感器标定试验,实... 详细信息

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题,设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计,采用空气隔热设计方式降低其侧向传热,实现了有效一维传热,延长了测试时间;并通过热流传感器标定试验,实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能,开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12),量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明,本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶,量热计响应时间较慢,但对于较大热流,由于极大减轻了侧向传热的影响,测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好,信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。

关键词：气动热量热计激波/边界层干扰高超声速流动

基于本征正交分解和代理模型的高超声速气动热模型降阶研究

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航空学报 2015年第2期36卷 462-472页

作者：陈鑫刘莉岳振江北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

气动热弹性分析是高超声速飞行器设计的关键技术之一。高超声速飞行器气动热的准确快速预测是气动热弹性分析的重要前提。针对当前气动加热工程计算、数值计算和实验研究均不能很好满足设计要求的问题,采用本征正交分解(POD)与代理模型(... 详细信息

气动热弹性分析是高超声速飞行器设计的关键技术之一。高超声速飞行器气动热的准确快速预测是气动热弹性分析的重要前提。针对当前气动加热工程计算、数值计算和实验研究均不能很好满足设计要求的问题,采用本征正交分解(POD)与代理模型(Surrogate)技术结合的模型降阶(POD-Surrogate)方法,建立了一种快速高效的高超声速气动热降阶模型框架。针对典型高超声速三维翼面气动热预测研究结果表明:当保留的POD基模态个数大于20时,PODKriging方法和POD-RBF(Radial Basis Function)方法的降阶模型得到的翼面温度分布与计算流体力学(CFD)计算温度L∞平均误差分别达到6%和14%,相对均方根误差(NRMSE)平均误差分别达到4%和12%,继续增加POD的基模态并不能提高降阶模型的预测精度;针对高超声速机翼气动热计算,POD-Kriging方法比POD-RBF方法具有更高的精度;针对典型的高超声速三维翼面气动热预测表明:基于POD-Surrogate方法的气动热降阶模型具有较高的精度和效率。

关键词：高超声速气动热本征正交分解代理模型降阶模型

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主动引射气体参数对平板空气舵气动热影响

航空学报 2022年第S02期43卷 173-182页

作者：聂春生袁野马伟曹占伟于明星中国运载火箭技术研究院空间物理重点试验室北京100076

针对平板空气舵模型,在激波风洞马赫数为10、单位雷诺数为2.1×10^(6)/m的来流条件下,采用纹影和热流传感器进行了主动引射气体对高超声速流场调控和降热规律的试验研究。获得了不同马赫数和压力的主动引射气体条件下,流场的激波结构和... 详细信息

针对平板空气舵模型,在激波风洞马赫数为10、单位雷诺数为2.1×10^(6)/m的来流条件下,采用纹影和热流传感器进行了主动引射气体对高超声速流场调控和降热规律的试验研究。获得了不同马赫数和压力的主动引射气体条件下,流场的激波结构和模型表面热流通量。试验数据表明:在空气舵上游通过主动引射气体进行流场调控,能够降低平板和空气舵的干扰加热;引射气体马赫数为2时,降热效果达到45%,引射气体马赫数为4时,降热效果达到70%以上;随着引射气体马赫数和压力的增大,引射喷口下方的平板、舵尖、舵面和舵轴的降热效果越好,热流降低幅值和区域均会增大;可以通过提高引射气体的压力,在较低的引射气体马赫数下达到与高马赫数引射气体相同的流场控制效果;主动引射气体对边界层流态和厚度的改变是决定平板空气舵降热效果的主控因素;高超声速流场中,较低马赫数的引射气体就能够改变下游的流态,但只有较高马赫数或较高压力的引射气体,才能对下游产生较好的降热效果;从气体流量需求的角度出发,建议采用“高马赫数、低压力”的引射出口参数进行引射系统设计。

关键词：主动引射平板空气舵气动热高超声速

基于机器学习的高超声速飞行器双曲率前缘气动热预测方法

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北京航空航天大学学报 2024年第9期50卷 2826-2834页

作者：杨帆林明月胡宗民罗长童中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一,气动热环境的精准预测对飞行器热防护系统设计及气动布局优化具有重要意义。为快速获得高超声速飞行器表面的热流分布情况,缩短飞行器设计周期,基于具有广义可分离特性、可... 详细信息

高超声速气动热预测技术是高超声速飞行器发展的关键技术之一,气动热环境的精准预测对飞行器热防护系统设计及气动布局优化具有重要意义。为快速获得高超声速飞行器表面的热流分布情况,缩短飞行器设计周期,基于具有广义可分离特性、可实现强非线性数据快速建模的多层分块(MBB)算法,提出一种针对高超声速飞行器双曲率前缘气动热分布的快速预测方法。通过数值计算获得双曲率前缘驻点区的气动热分布作为训练集数据,基于MBB算法提出预测热流分布的显式表达式,对表达式预测结果的统计分析显示,表达式预测值与测试集数据的偏差低于2%,这表明其具有较高的预测精度;将驻点区热流分布表达式进行外推,验证了机器学习公式在不同几何外形下的适用性。在双曲率前缘构型的防热设计及气动外形优化阶段,所提表达式可实现气动热环境的精准、快速预测。

关键词：高超声速流动气动热多层分块算法快速预测方法驻点热流双曲率前缘

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高超声速气动热数值计算壁面网格准则

北京航空航天大学学报 2015年第4期41卷 594-600页

作者：张智超高振勋蒋崇文李椿萱北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

首先对高超声速气动热数值模拟中的3种壁面法向网格准则(平均自由程(MFP)、自由来流参数网格雷诺数和壁面参数网格雷诺数准则)进行了分析.随后,提出了壁面参数预估方法,使得壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则无需进行试算即可直接预估壁... 详细信息

首先对高超声速气动热数值模拟中的3种壁面法向网格准则(平均自由程(MFP)、自由来流参数网格雷诺数和壁面参数网格雷诺数准则)进行了分析.随后,提出了壁面参数预估方法,使得壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则无需进行试算即可直接预估壁面法向网格尺度.其次,运用提出的壁面参数预估方法结合不同网格准则,在同一实验条件下确定多个壁面法向网格尺度,通过与实验数据对比研究各网格准则确定的壁面法向网格尺度是否满足热环境模拟精度要求,并对提出的壁面参数预估方法进行验证.最后,开展了高超声速二维完全气体及真实气体效应算例、三维钝双锥算例的数值模拟.研究表明,壁面参数预估方法是可靠的;自由来流参数网格雷诺数准则随来流静温变化所确定的网格尺度变化趋势与物理推理相悖;基于壁面参数网格雷诺数和MFP两种准则主要受壁面温度影响,其在同一条件下所确定的网格尺度基本一致,并满足热环境模拟的精度要求.

关键词：网格准则气动热高超声速数值计算网格雷诺数

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喷流干扰气动热数值模拟的若干影响因素

北京航空航天大学学报 2016年第6期42卷 1210-1218页

作者：林博希阎超李亚超北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100083

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似... 详细信息

工程上对喷流气动热进行近似计算时,常常对真实的全化学反应流近似处理,这时需要了解喷流气体和喷管外形的近似方法对计算结果的影响规律。采用数值试验对比分析的方法,探讨了近似计算的2个影响因素:其一是使用量热完全的空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟时,喷管几何形状对热流分布的影响;其二是使用空气喷流近似燃气喷流进行数值模拟的方法,分析不同的喷流热力学参数匹配方法对喷流形态及热流分布的影响。通过对不同方法进行对比计算,揭示了各个方法对喷流干扰气动热计算的影响规律,可以用于指导工程分析。

关键词：计算流体力学(CFD) 喷流相似准则数值模拟气动热

基于自适应采样的高超声速飞行器气动热全局快速预示

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航空学报 2023年第6期44卷 133-150页

作者：杨国涛岳振江刘莉北京理工大学宇航学院北京100081 北京理工大学飞行器动力学与控制教育部重点实验室北京100081

高超声速飞行器热防护系统设计中高精度气动热分析模型使得设计计算成本不断增加,基于数据驱动的气动热环境预示方法受到广泛关注。针对有限高精度模型计算成本下提升全局预示精度的问题,提出一种基于模糊聚类的批量自适应采样方法。根... 详细信息

高超声速飞行器热防护系统设计中高精度气动热分析模型使得设计计算成本不断增加,基于数据驱动的气动热环境预示方法受到广泛关注。针对有限高精度模型计算成本下提升全局预示精度的问题,提出一种基于模糊聚类的批量自适应采样方法。根据预示误差分布特征通过聚类采用超球分割构建采样影响域,兼顾误差较大的重点采样域与全局探索;通过当地误差评分系数加权构建采样拒绝域,减小新增样本冗余;结合maxmin准则在综合确定的重点采样空间中新增样本,提升采样质量,进而实现预示模型全局精度快速提升。数值测试算例表明,所提方法与One-Shot、APSFC、CV-Voronoi方法相比能有效降低所需采样规模,加速提升预示精度。通过类HTV-2飞行器气动热快速预示实例,验证了方法的有效性与工程实用性。

关键词：自适应采样模糊聚类快速预示高超声速气动热