飞机测试中试验件热流密度分布计算模型构建方法及应用与流程

1.本发明涉及飞机测试技术领域，具体是涉及飞机测试中试验件热流密度分布计算模型构建方法及应用。


背景技术：

2.辐射加热元件由于加热功率大、表面形状适应性强，在飞机地面热强度试验中应用广泛，用以模拟高速/高超声速飞行器热防护系统、热结构表面的气动热环境模拟。
3.辐射加热装置一般根据试验件形状进行随形设计。对于翼面、舵面等大面积平直表面的加热，一般设计为平板形加热器；对于等直舱段等圆柱形表面的加热，一般设计为圆柱形加热器；对于天线罩或变径非等直舱段等圆锥形或近似圆锥形表面的加热，一般设计为圆锥形加热器。
4.飞机地面热强度试验中，试验件表面热流密度分布是评估飞行器加热器设计合理性的直接依据。
5.目前国内外一般采用有限元方法或蒙特卡罗方法等进行辐射加热装置热流密度分布计算，但以上两种方法依旧具有以下缺陷：（1）有限元方法适用于试验件尺寸小、外形规则简单、阵列规模较小的场合，计算容易收敛，因而适用场景较少；（2）蒙特卡罗方法虽然可以有效模拟粒子在传播过程中的折射、反射等复杂过程，进而能够较为准确地得到试验件表面的辐射热流密度分布，但由于其基于统计思想，并且考虑粒子的折射、反射因素较多，使得对于复杂外形结构的计算过程更为复杂、计算的时间较长；针对全尺寸导弹和全尺寸飞机热试验中大规模辐射加热元件组成的加热装置的热流密度分布计算，上述两种方法在计算速度方面难以满足工程设计中的快速要求，不能在短时间内给出热流密度分布结果，因此需要一种能够快速计算辐射加热元件热流密度分布的计算模型，来实现大规模加热元件作用下的热流密度分布快速计算。


技术实现要素：

6.本发明解决的技术问题是：现有的辐射加热装置热流密度分布计算模型难以满足工程设计中的快速要求，不能在短时间内给出热流密度分布结果。
7.为解决上述问题，本发明的技术方案如下：飞机测试中试验件热流密度分布计算模型构建方法，包括以下步骤：s1、构建辐射面总热流量计算公式选取结构热强度实验室飞机地面热强度试验中辐射加热元件的单元部件，单元部件为螺旋柱状，将单元部件面向试验件接收面的半圆柱面等效为产生辐射能量的矩形平面，则单元部件面向试验件接收面的矩形平面产生的总热流量计算公式为：
（1）式中：为单元部件面向试验件接收面的矩形平面产生的总热流量，为加热元件长度，为圆柱面半径，为加热元件温度，为黑体辐射常数；s2、构建点光源微元中心点热流量计算公式将步骤s1中产生辐射能量的矩形平面沿长度方向n等分，等分后的每个部分作为点光源微元，每个点光源微元与试验件上接收点的相对位置关系由点光源微元中心点与接收点的相对位置关系代替，从而得出每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量的计算公式为：（2）式中：为每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量，为加热元件长度，为圆柱面半径，为加热元件温度，为黑体辐射常数，为点光源微元的个数；s3、构建试验件热流密度分布计算模型将结构热强度实验室飞机地面热强度试验中辐射加热元件的单元部件所在形面上点光源微元中心点b的法向量记作，试验件所在形面上接收点a的法向量记作，根据兰贝特定律，对于接收点处面积为da1的微元接收到点光源微元中心点的辐射热流计算公式为：（3）将公式（3）两端消去，得到试验件热流密度分布计算模型，即接收点a接收到点光源微元中心点b辐射产生的热流密度计算公式为：（4）式中：为接收点a接收到点光源微元中心点b辐射产生的热流密度，为每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量，为试验件所在形面上接收点a与辐射加热元件的单元部件所在形面上点光源微元中心点b的连线长度，为接收点a处面积，为点光源微元中心点b处面积，为定向辐射强度，为点光源中心点b的法线与连线的夹角，为接收面上点a的法线与连线的夹角，二者的余弦值可通过向量点积与向量的模计算得到。
8.进一步地，步骤s1中，辐射加热元件根据结构热强度实验室飞机地面热强度试验中试验件形状进行随形设计，并通过单元部件进行组装完成。
9.进一步地，步骤s1中，辐射加热元件的形状包括：平板形、圆柱形、圆锥形，平板形辐射加热元件能够适应翼面、舵面等大面积平直表面的加热，圆柱形辐射加热元件能够适应等直舱段等圆柱形表面的加热，圆锥形辐射加热元件能够适应于天线罩或变径非等直舱段等圆锥形或近似圆锥形表面的加热。
10.更进一步地，步骤s1中，辐射加热元件的加热方式为黑体辐射加热。
11.本发明还提供了飞机测试中试验件热流密度分布计算模型，通过上述飞机测试中试验件热流密度分布计算模型的构建方法构建。
12.本发明还提供了飞机测试中试验件热流密度分布计算模型应用，基于上述飞机测试中试验件热流密度分布计算模型的构建方法所构建，包括以下步骤：s1、通过试验件热流密度分布计算模型计算辐射加热元件所有单元部件的每个点光源微元中心点对试验件接受面接收点a的热流密度累加，得到辐射加热元件作用下接收点a的热流密度；s2、按照步骤s1累加计算得到接收面上所有接收点获得的热流密度，给出整个试验件外表面的热流分布云图。
13.优选地，试验件可以为高超声速飞机，也可以为其他用于航空航天的高速飞行器。
14.本发明的有益效果是：（1）本发明忽略了辐射加热元件发出光线的复杂反射、折射过程，简化了计算模型，可以显著加快热流密度分布计算速度；（2）本发明不涉及试验件和加热阵列几何模型的建立以及网格划分等操作，将所有外形信息转化为数据处理，节省了建模、网格划分等有限元前处理过程，缩短了热流密度分布计算时间；（3）本发明通过将辐射加热元件离散化，将半圆柱面的辐射能量等效到矩形平面上，在平面微元辐射半球空间内逐点计算各加热元件上各点光源微元与接收点之间的相对距离和相对位置关系，能够正确地反映辐射加热的传热特征。
附图说明
15.图1是实施例1的方法流程图；图2是实施例1中辐射加热元件的单元部件结构示意图；图3是实施例1步骤s1中单元部件面向试验件接收面的半圆柱面的等效示意图；图4是实施例1步骤s2中矩形平面结构示意图；图5是实施例1中步骤s3中a点与b点的位置关系示意图。
具体实施方式
16.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
17.实施例1本实施例为飞机测试中试验件热流密度分布计算模型构建方法，如图1所示，包括
以下步骤：s1、构建辐射面总热流量计算公式辐射加热元件的加热方式为黑体辐射加热，如图2所示，单元部件为螺旋柱状，辐射加热元件根据结构热强度实验室飞机地面热强度试验中试验件形状进行随形设计，并通过单元部件进行组装完成，辐射加热元件的形状为平板形，如图3所示，将单元部件面向试验件接收面的半圆柱面等效为产生辐射能量的矩形平面cd，则单元部件面向试验件接收面的矩形平面产生的总热流量计算公式为：（1）式中：为单元部件面向试验件接收面的矩形平面产生的总热流量，为加热元件长度，为圆柱面半径，为加热元件温度，为黑体辐射常数；s2、构建点光源微元中心点热流量计算公式如图4所示，将步骤s1中产生辐射能量的矩形平面沿长度方向十四等分，等分后的每个部分作为点光源微元，每个点光源微元与试验件上接收点的相对位置关系由点光源微元中心点与接收点的相对位置关系代替，从而得出每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量的计算公式为：（2）式中：为每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量，为加热元件长度，为圆柱面半径，为加热元件温度，为黑体辐射常数，为点光源微元的个数；s3、构建试验件热流密度分布计算模型如图5所示，将结构热强度实验室飞机地面热强度试验中辐射加热元件的单元部件所在形面上点光源微元中心点b的法向量记作，试验件所在形面上接收点a的法向量记作，根据兰贝特定律，对于接收点处面积为da1的微元接收到点光源微元中心点的辐射热流计算公式为：（3）将公式（3）两端消去，得到试验件热流密度分布计算模型，即接收点a接收到点光源微元中心点b辐射产生的热流密度计算公式为：（4）式中：为接收点a接收到点光源微元中心点b辐射产生的热流密度，为每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量，为试验件所在形面上接收点a与辐射
加热元件的单元部件所在形面上点光源微元中心点b的连线长度，为接收点a处面积，为点光源微元中心点b处面积，为定向辐射强度，为点光源中心点b的法线与连线的夹角，为接收面上点a的法线与连线的夹角，二者的余弦值可通过向量点积与向量的模计算得到。
18.实施例2本实施例与实施例1的区别在于：步骤s1中辐射加热元件的形状为圆柱形。
19.此处辐射加热元件用于等直舱段的加热。
20.实施例3本实施例与实施例1的区别在于：步骤s1中辐射加热元件的形状为圆锥形。
21.此处辐射加热元件用于天线罩的加热。
22.实施例4本实施例为基于实施例1的构建方法构建的飞机测试中试验件热流密度分布计算模型。
23.模型公式为：式中：为接收点a接收到点光源微元中心点b辐射产生的热流密度，为每个点光源微元中心点向半球空间内辐射的热流量，为试验件所在形面上接收点a与辐射加热元件的单元部件所在形面上点光源微元中心点b的连线长度，为接收点a处面积，为点光源微元中心点b处面积，为定向辐射强度，为点光源中心点b的法线与连线的夹角，为接收面上点a的法线与连线的夹角，二者的余弦值可通过向量点积与向量的模计算得到。
24.实施例5本实施例为基于实施例1的构建方法所构建的飞机测试中试验件热流密度分布计算模型的应用，包括以下步骤：s1、通过试验件热流密度分布计算模型计算辐射加热元件所有单元部件的每个点光源微元中心点对试验件接受面接收点a的热流密度累加，得到辐射加热元件作用下接收点a的热流密度；s2、按照步骤s1累加计算得到接收面上所有接收点获得的热流密度，给出整个试验件外表面的热流分布云图。