烧蚀颗粒多物理效应的计算方法、设备及介质与流程

本发明涉及飞行器，特别是涉及一种烧蚀颗粒多物理效应的计算方法、设备及介质。

背景技术：

1、高速飞行器头部产生烧蚀后，防热材料表面会剥离烧蚀颗粒，在气动力的作用下，烧蚀颗粒进入下游边界层，改变边界层生成摩阻和热流的过程。

2、然而，高速飞行器面临着极端力学环境，高温高焓会带来了一系列复杂物理效应。首先，在大气层中巡航的飞行器要受到重力作用，边界层内的烧蚀颗粒必然也要受到重力影响；其次，极端高温带来的法向温度梯度，会诱导颗粒法向热泳力，改变颗粒动力学过程；再次，极端高温条件下，空气发生电离，颗粒在电磁场中运动，会受到电磁洛伦兹力；最后，极端高温条件下，黑体颗粒受到高温辐射热源的辐射作用，改变颗粒的热力学过程。迄今，尚未有一种方式可以计算极端力学条件下的烧蚀颗粒多物理效应复杂过程的问题。

3、因此，如何解决极端力学环境下烧蚀颗粒两相流的专属多物理效应集成计算问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种烧蚀颗粒多物理效应的计算方法、设备及介质，可以反映极端力学环境下的复杂物理过程，确保数值仿真能重新烧蚀物理的原貌，具有烧蚀问题的工程交互性。其具体方案如下：

2、一种烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，包括：

3、获取多物理效应各自诱导的等效惯性项；

4、根据颗粒滑移阻力项以及所述多物理效应各自诱导的等效惯性项，计算多物理颗粒动力学过程；

5、将任意采样单元体积内圆球颗粒的辐射换热方程进行无量纲化处理，得到无量纲辐射换热方程；

6、采用所述无量纲辐射换热方程计算热辐射颗粒热力学过程。

7、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，获取多物理效应各自诱导的等效惯性项，包括：

8、将考虑多物理效应的颗粒动力学方程进行无量纲化处理，以获取多物理效应各自诱导的等效惯性项。

9、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，将考虑多物理效应的颗粒动力学方程进行无量纲化处理，以获取多物理效应各自诱导的等效惯性项，包括：

10、将考虑重力效应、电磁效应、热泳效应的颗粒动力学方程分别进行无量纲化处理，以获取重力效应引起的等效惯性项、电场驱动颗粒引起的等效惯性项、磁场驱动颗粒引起的等效惯性项、热泳力效应引起的等效惯性项。

11、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，根据颗粒滑移阻力项以及所述多物理效应各自诱导的等效惯性项，计算多物理颗粒动力学过程，包括：

12、将颗粒滑移阻力项、重力效应引起的等效惯性项、电场驱动颗粒引起的等效惯性项、磁场驱动颗粒引起的等效惯性项、热泳力效应引起的等效惯性项进行求和操作，计算多物理颗粒动力学过程。

13、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，采用下述计算多物理颗粒动力学过程：

14、

15、

16、其中，上标*表示无量纲物理量，是无量纲颗粒速度矢量，是无量纲流体速度矢量，是无量纲重力矢量，fr是颗粒浮汝德数，是颗粒速度矢量，u∞是参考流体速度，是位于颗粒重心位置的插值流体速度，l∞是参考尺度，是重力矢量，g∞是参考重力常数，ρr是颗粒与流体的密度比，τp是颗粒弛豫时间，ste是电场力驱动惯性颗粒的响应系数，stlorentz是磁场偏转力驱动惯性颗粒的响应系数，sttherpho是热泳力效应产生的等效惯性响应系数，q*是单位质量颗粒携带的电荷密度，是外电场强度，是外磁场强度，是流场温度梯度。

17、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，采用下述公式计算电场力驱动惯性颗粒的响应系数ste：

18、

19、其中，τp,e是惯性颗粒响应电场力驱动的特征响应时间，q∞是参考单位质量电荷密度，e∞是参考电场强度；

20、采用下述公式计算磁场偏转力驱动惯性颗粒的响应系数stlorentz：

21、

22、其中，τp,lorentz是惯性颗粒响应电场力驱动的特征磁偏转响应时间，b∞是参考磁场强度。

23、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，采用下述公式计算热泳力效应产生的等效惯性响应系数sttherpho：

24、

25、其中，φtherpho是气固热导系数比，re是流动雷诺数。

26、优选地，在本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法中，所述无量纲辐射换热方程的表达式为：

27、

28、其中，stth,pf,i是颗粒的热对流响应系数，stth,pr是颗粒在高温辐射效应下的热响应平衡系数，是第i个圆球颗粒温度，是辐射热源的温度。

29、本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法。

30、本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法。

31、从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，包括：获取多物理效应各自诱导的等效惯性项；根据颗粒滑移阻力项以及多物理效应各自诱导的等效惯性项，计算多物理颗粒动力学过程；将任意采样单元体积内圆球颗粒的辐射换热方程进行无量纲化处理，得到无量纲辐射换热方程；采用无量纲辐射换热方程计算热辐射颗粒热力学过程。

32、本发明提供的上述烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，可以反映极端力学环境下的复杂物理过程，确保数值仿真能重新烧蚀物理的原貌，并且具有烧蚀问题的工程交互性，自动进行无量纲化，避免不同物理问题量纲差异带来的数值刚性，填补了现有技术无法计算极端力学条件下的烧蚀颗粒多物理效应复杂过程的问题。

33、此外，本发明还针对烧蚀颗粒多物理效应的计算方法提供了相应的设备及计算机可读存储介质，进一步使得上述方法更具有实用性，该设备及计算机可读存储介质具有相应的优点。

技术特征：

1.一种烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，获取多物理效应各自诱导的等效惯性项，包括：

3.根据权利要求2所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，将考虑多物理效应的颗粒动力学方程进行无量纲化处理，以获取多物理效应各自诱导的等效惯性项，包括：

4.根据权利要求3所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，根据颗粒滑移阻力项以及所述多物理效应各自诱导的等效惯性项，计算多物理颗粒动力学过程，包括：

5.根据权利要求4所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，采用下述计算多物理颗粒动力学过程：

6.根据权利要求5所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，采用下述公式计算电场力驱动惯性颗粒的响应系数ste：

7.根据权利要求6所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，采用下述公式计算热泳力效应产生的等效惯性响应系数sttherpho：

8.根据权利要求7所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法，其特征在于，所述无量纲辐射换热方程的表达式为：

9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至8任一项所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8任一项所述的烧蚀颗粒多物理效应的计算方法。

技术总结
本申请涉及飞行器技术领域，公开了一种烧蚀颗粒多物理效应的计算方法、设备及介质，该方法包括：获取多物理效应各自诱导的等效惯性项；根据颗粒滑移阻力项以及多物理效应各自诱导的等效惯性项，计算多物理颗粒动力学过程；将任意采样单元体积内圆球颗粒的辐射换热方程进行无量纲化处理，得到无量纲辐射换热方程；采用无量纲辐射换热方程计算热辐射颗粒热力学过程。上述方法可以反映极端力学环境下的复杂物理过程，确保数值仿真能重新烧蚀物理的原貌，并且具有烧蚀问题的工程交互性，自动进行无量纲化，避免不同物理问题量纲差异带来的数值刚性，填补了现有技术无法计算极端力学条件下的烧蚀颗粒多物理效应复杂过程的问题。

技术研发人员：李青,袁先旭,粟虹敏,李博,周清清,余明,傅亚陆,刘朋欣
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13