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气动力/热/结构多场耦合数据传递方法研究

气动力/热/结构多场耦合数据传递方法研究

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作者：刘深深中国空气动力研究与发展中心

学位级别：硕士

高超声速飞行器气动热与防护是目前制约高超声速飞行器发展的主要瓶颈问题之一。高超声速飞行器在大气层中高速飞行时会产生强烈的气动加热现象，气动加热带来的温升导致结构受热后产生静态变形，而结构变形进一步导致流场气动加热的部... 详细信息

高超声速飞行器气动热与防护是目前制约高超声速飞行器发展的主要瓶颈问题之一。高超声速飞行器在大气层中高速飞行时会产生强烈的气动加热现象，气动加热带来的温升导致结构受热后产生静态变形，而结构变形进一步导致流场气动加热的部分改变，从而造成表面热流、温度场、结构应力/应变场之间发生复杂的耦合作用。这种长时间剧烈的多场耦合作用所带来的高温和高应力一方面会导致防热结构的烧蚀、大面积形变或烧穿而造成飞行器的破坏;另一方面会引发结构的变形、断裂、剥蚀及气动弹性等问题而致使飞行器损坏。为了对飞行器的防热结构进行更为详细的设计和可靠性评估，弄清防热结构面临的热环境，结构内部的热量传输、耗散及分配机制，以及由此形成的结构变形及破坏的复杂特征，在当前针对高超声速飞行器的热防护设计和优化中必须综合考虑气动力/热/结构的多场耦合问题。当前关于气动力/热/结构一体化耦合问题的计算方法与软件的研究工作仍较少，而气动力、气动热和结构热响应等计算模块经过多年的研究，各自已经发展了非常成熟的求解器。为了更好地利用这些求解器，当前的多场耦合一般采用分步求解即松耦合的求解方法：各个模块分别采用各自适用的求解器进行求解，通过在流体域和固体域的交界面上进行数据传递来实现耦合。由于不同的求解器模块具有不同的特点，因此其所要求的计算方法和网格类型都有所不同，例如流场域网格和固体域网格在生成时考虑的重点不一样，同时由于防热结构内部形式的束缚，在交界面上，两者的网格通常是不一致的。如何在不匹配的网格间进行精准而高效的数据传递，便成为制约多场耦合实现的关键问题。为了解决上述问题，本文围绕如何在不匹配的流固交界面对数据进行高效而精确的传递问题进行了研究。本文在第一章引言部分主要阐述了该项研究的背景及意义，对开展气动力/热/结构多场耦合的迫切性和重要性给予了阐述。之后对国内外关于流固界面的数据传递研究的发展与现状进行了综述，重点是局部方法和整体方法两大类方法的相关介绍。在文章的第二章节，首先对多场耦合中所需要传递的变量进行了分析，理清了耦合过程中的数据传递流程。然后对数据传递中所应遵循的基本原则进行了介绍，并在第一章国内外研究进展调研的基础上，选择了在多场耦合中较有应用前景的映射点插值方法、常体积转换方法、平板样条基函数、多重二次曲面双协调基函数、逆多重二次曲面双协调基函数、紧支C2基函数6种不同的插值方法进行研究，并给出了这些插值方法的具体实现过程。第三章节在第二章的基础上，选取半圆柱体样例外形对所选用的6种方法进行了评估测试。测试主要通过针对外形划定不匹配的网格并假定物理量的解析表达式进行，误差分析通过插值得到的物理量与解析表达式得到的精确值对比得出。此部分主要评估了插值方法对物理量分布规律的捕捉情况、插值中产生的误差及插值效率等内容，同时还分析了网格疏密度、人为参数等因素对插值带来的影响。在实际工程应用中很多复杂外形网格点之间单元连接信息无法提取，需要单元之间连接信息的局部方法使用会受到限制，此时需要采用无需额外单元连接信息的整体插值方法来解决问题。但整体插值方法存在的一个显著的问题是计算资源和内存的开销非常庞大，如何在保证数据传递精度前提下尽可能减少计算资源的开销是一个需要解决的实际工程问题。本文第四章重点研究了整体方法中计算资源和内存消耗较少的具备紧支特性的C2径向基函数方法，针对紧支C2精度不及TPS和MQ等全域基函数的问题提出了基于几何缩比的改进方案，经过验证该方案对于简单和复杂的实际工程外形都具有很好的改进效果，使得改进后的紧支C2能够实现精度和效率的兼顾，同时改进方法应用于TPS和MQ时也取得了很好的效果。最后，在结束语中，对已有的工作作了回顾，指出存在的不足和今后的研究方向。

关键词：气动力/热/结构多场耦合数据插值精度评估径向基函数局部插值方法

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