考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法

本发明涉及航空航天，特别是涉及一种考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法。

背景技术：

1、过去进行超声速边界层流动稳定性研究多采用绝热或等温飞行器壁面条件，均未考虑飞行器壁面由于高速气流导致飞行器壁面温度出现高温情形时的辐射传热。这些在实验室条件下是成立的，如，等温飞行器壁面条件适合于初始冷壁热流计算、绝热条件适于长时间实验。但高超声速飞行器在实际长航飞行中，上述条件则不适合，需要考虑高温飞行器壁面辐射传热。此时，壁温为辐射平衡温度，它与不考虑飞行器壁面辐射绝热壁温存在很大差距，由于飞行器壁面温度直接影响基本流剖面，边界层流动稳定性特征发生很大变化，需要建立考虑高温飞行器壁面辐射进行流动稳定性分析理论和方法，以获得与实际相符的结果。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，解决实际飞行的高超声速飞行器边界层流动进行流动稳定性分析中飞行器壁面条件采用不考虑飞行器壁面辐射的绝热的缺点，提出考虑飞行器壁面辐射传热，并耦合气流流动，提供了更准确的基本流剖面与流动稳定性分析方法。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法，包括：

4、s1.编写高超声速飞行器绕流数值模拟所需的navier-stokes方程求解器用于求解基本流场；

5、s2.绕飞行器气流满足量热完全气体性质，适于马赫数为4.5-8的情形，即，比热仍为定值比热；

6、s3.飞行器壁面满足能量平衡，在设定飞行器壁面绝热边界条件时考虑飞行器壁面辐射，忽略气体辐射，此时飞行器壁面对应的温度称为辐射平衡温度；

7、s4.采用线性稳定性理论lst对考虑飞行器壁面辐射且忽略气体辐射的基本流进行流动稳定性分析，获得中性曲线、最大增长率结果。

8、进一步的，步骤s3中：建立飞行器壁面的能量守恒方程，传入飞行器壁面的总热流qtotal表示为：

9、qtotal＝qgw+qrad,e-qrad,w

10、其中：qgw为气体通过导热传入飞行器壁面的热流，qrad,e为周围环境对飞行器壁面传递的辐射热流，qrad,w为飞行器壁面向外传递的辐射热流；

11、对于绝热壁，传入飞行器壁面的总热流为0，有：

12、0＝qgw+qrad,e-qrad,w

13、根据热传导的fourier定律和stefan-boltzmann定律，等式右侧三项的具体表达式为：

14、

15、其中：κ为空气的热传导系数，n为飞行器壁面法向量，ε为飞行器壁面材料辐射系数，通过对飞行器壁面材料进行灰体假设下取定值，周围环境的辐射系数与飞行器壁面材料辐射系数取相同值，σ＝5.67×10-8(w/(m2·k4))为stefan-boltzmann常数，下标e表示环境量，下标w表示飞行器壁面量；t为无量纲温度。

16、进一步的，步骤s4中：

17、对于高超声速边界层流动，边界层内的扰动写成如下的形式：

18、

19、其中为扰动的形函数，α、β和ω分别为流向波数、展向波数和频率，c.c.代表共轭复数；若考虑空间模式，即扰动沿空间增长，则频率ω为实数，α和β为复数，即α＝αr+iαi,β＝βr+iβi，此时扰动中会出现实函数因子和若αi＜0或βi＜0，则扰动将沿x正向或z正向指数增长，因此α和β虚部的相反数-αi、-βi分别表示流向和展向的空间增长率，对于二维流场，有β＝0，即仅存在流向的空间增长率-αi；

20、将上述扰动解代入稳定性o-s方程,飞行器壁面与法向无穷远处扰动为0，即实现稳定性分析计算。

21、与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

22、(1)本发明提出的理论和分析方法更符合实际高超声速飞行器长航时飞行流动条件，为准确预测转捩奠定基础，可提高飞行器壁面温度计算准确性，进而提高气动力和气动热计算结果的准确性，为实际飞行器气动力布局和热防护设计提供设计依据。

23、(2)方法实施易于实现，通过边界条件考虑飞行器壁面辐射特性，相比之前的绝热边界条件并未增大计算量，通过改变飞行器壁面辐射系数即可考虑不同的飞行器壁面材料辐射特性。

24、(3)为进一步计算更高温所必需考虑气体辐射等复杂流动提供了研究思路。

技术特征：

1.一种考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述一种考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法，其特征在于，步骤s3中：建立飞行器壁面的能量守恒方程，传入飞行器壁面的总热流qtotal表示为：

3.根据权利要求1所述一种考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法，其特征在于，步骤s4中：

技术总结
本发明公开一种考虑飞行器壁面辐射的高速边界层流动稳定性分析方法，包括：S1.编写高超声速飞行器绕流数值模拟所需的Navier‑stokes方程求解器用途得到基本流；S2.采用量热完全气体假设计算气体的热物性参数，对于马赫数为4.5‑8的情形，不考虑高温真实气体效应，即，比热仍为定值比热；S3.采用绝热能量平衡条件，在设定飞行器壁面边界条件时考虑飞行器壁面辐射，忽略气体辐射，此时飞行器壁面对应的温度称为辐射平衡温度；S4.采用线性稳定性理论LST对考虑飞行器壁面辐射且忽略气体辐射的基本流进行流动稳定性分析，获得中性曲线、最大增长率结果。

技术研发人员：曹伟,盖德雨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27