高速流场环境下轴类结构温度估算方法与流程

1.本发明涉及结构传热技术领域，尤其涉及一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法。


背景技术：

2.结构传热分析是飞行器结构与热防护系统设计与验证的重要方法。随着现代飞行器飞行速度不断提高，激波后的气流强烈的压缩作用和边界层内气流与结构的摩擦作用，使得飞行器结构所面临的热载荷越来越恶劣。飞行器轴类结构具有外形规则且简单的特点，现有热分析技术虽然具有精度高的特点，但由于热分析流程较为复杂，耗费的资源较多，无法适应在资源有限条件下高速流场中飞行器轴类结构温度快速评估的需求。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
4.本发明提供了一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法，该高速流场环境下轴类结构温度估算方法包括：基于简化模型采用cfd方法进行气动热仿真计算；根据气动热仿真计算的结果结合实际轴类结构模型以获取修正后的冷壁热流密度；根据气动热仿真计算的结果及修正后的冷壁热流密度进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构的温度。
5.进一步地，基于简化模型采用cfd方法进行气动热仿真计算包括：1.1)构建二维圆模型，二维圆模型以轴类结构典型半径r为半径，圆心为右手直角坐标系的原点o，x轴与气流来流方向同向，y轴垂直向上；1.2)在二维圆模型的基础上，开展二维cfd计算获取二维圆模型上各处冷壁热流密度和恢复焓；1.3)根据所述二维圆模型上各处冷壁热流密度和恢复焓进行最小二乘法拟合以获取各处冷壁热流密度、恢复焓与x轴坐标的函数关系式。
6.进一步地，根据气动热仿真计算的结果结合实际轴类结构模型以获取修正后的冷壁热流密度包括：2.1)构建三维轴类结构有限元模型，三维轴类结构有限元模型基于二维圆模型坐标系oxy以右手定则建立三维直角坐标系oxyz，z轴与轴类结构的轴线重合；2.2)将轴类结构表面各单元积分点等效到二维圆模型上以获取各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值；2.3)根据各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值结合步骤1.3)中的冷壁热流密度、恢复焓与x轴坐标的函数关系式获取轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
和恢复焓h
ri
；2.4)对轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
进行修正，以获取修正后的轴类结构表面单元积分点的冷壁热流密度。
7.进一步地，步骤2.2)中，根据获取各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值，其中，xi为第i个单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值，x
io
和y
io
分别为三维轴类结构有限元模型第i个单元积分点的x轴坐标值和y轴坐标值，i＝1,2,3...。
8.进一步地，步骤2.4)中，根据对轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
进行修正，其中，q
coolxi
为第i个单元积分点修正后的冷壁热流密度。
9.进一步地，根据气动热仿真计算的结果及修正后的冷壁热流密度进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构的温度具体包括：3.1)以轴类结构表面各单元积分点修正后的冷壁热流密度q
coolxi
和恢复焓h
ri
作为输入，通过插值算法获取任意计算时刻的冷壁热流密度和恢复焓；3.2)结合流场参数，通过冷热壁热流密度转换公式，获取任意计算时刻加载到轴类结构表面的热壁热流密度；3.3)以任意计算时刻的热壁热流密度作为输入，进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构温度。
10.应用本发明的技术方案，提供了一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法，该高速流场环境下轴类结构温度估算方法通过结合工程算法、外流场cfd和结构cae仿真技术，能够对高速流场环境下轴类结构的温度进行快速高效的估算。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术无法适应在资源有限条件下快速估算高速流场环境下轴类结构温度的技术问题。
附图说明
11.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的高速流场环境下轴类结构温度估算方法的流程示意图；
13.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的二维cfd计算简化模型示意图；
14.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的cae仿真典型轴类结构示意图。
具体实施方式
15.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
17.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部
分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
18.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法，该高速流场环境下轴类结构温度估算方法包括：基于简化模型采用cfd方法进行气动热仿真计算；根据气动热仿真计算的结果结合实际轴类结构模型以获取修正后的冷壁热流密度；根据气动热仿真计算的结果及修正后的冷壁热流密度进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构的温度。
19.应用此种配置方式，提供了一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法，该高速流场环境下轴类结构温度估算方法通过结合工程算法、外流场cfd和结构cae仿真技术，能够对高速流场环境下轴类结构的温度进行快速高效的估算。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术无法适应在资源有限条件下快速估算高速流场环境下轴类结构温度的技术问题。
20.进一步地，在本发明中，为了实现高速流场环境下轴类结构的温度估算，首先基于简化模型采用cfd方法进行气动热仿真计算。
21.作为本发明的一个具体实施例，基于简化模型采用cfd方法进行气动热仿真计算具体包括：
22.1.1)构建二维圆模型；
23.如图2所示，以轴类结构典型半径r为半径建立二维圆模型，以圆心为右手直角坐标系的原点o，x轴与气流来流方向同向，y轴垂直向上。
24.1.2)在二维圆模型的基础上，开展二维cfd计算获取二维圆模型上各处冷壁热流密度和恢复焓；
25.以该二维圆为研究对象，在来流条件下围绕典型工况开展二维cfd计算，得到典型工况圆上各处的冷壁热流密度q
cool
和恢复焓hr。
26.1.3)根据所述二维圆模型上各处冷壁热流密度和恢复焓进行最小二乘法拟合以获取各处冷壁热流密度、恢复焓与x轴坐标的函数关系式。
27.此外，在本发明中，在完成基于简化模型的气动热仿真计算后，根据气动热仿真计算的结果结合实际轴类结构模型以获取修正后的冷壁热流密度。
28.作为本发明的一个具体实施例，根据气动热仿真计算的结果结合实际轴类结构模型以获取修正后的冷壁热流密度具体包括：
29.2.1)构建三维轴类结构有限元模型；
30.如图3所示，基于步骤1.1)中的二维直角坐标系oxy，以右手定则建立三维直角坐标系oxyz，z轴与轴类结构的轴线重合。
31.2.2)将轴类结构表面各单元积分点等效到二维圆模型上以获取各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值；
32.基于三维轴类结构有限元模型提取轴类结构表面单元的编号、单元积分点编号及
单元积分点坐标信息，将轴类结构表面各单元积分点等效到步骤1.1)的二维圆模型上。以第i个单元积分点为例，设(x
io
,y
io
,z
io
)为有限元模型单元积分点的坐标，(xi,yi,zi)为第i个单元积分点等效到二维圆的坐标，则其中，i＝1,2,3...。
33.2.3)根据各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值结合步骤1.3)中的冷壁热流密度、恢复焓与x轴坐标的函数关系式获取轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
和恢复焓h
ri
；
34.2.4)对轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
进行修正，以获取修正后的轴类结构表面单元积分点的冷壁热流密度；
35.根据对轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
进行修正，其中，q
coolxi
为第i个单元积分点修正后的冷壁热流密度，q
cooli
为第i个单元积分点修正前的冷壁热流密度。
36.进一步地，在本发明中，在获取修正后的冷壁热流密度后，根据气动热仿真计算的结果及修正后的冷壁热流密度进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构的温度。
37.作为本发明的一个具体实施例，根据修正后的冷壁热流密度进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构的温度具体包括：
38.3.1)以步骤2.4)中获取的修正后的冷壁热流密度q
coolxi
和步骤2.3)中获取的恢复焓h
ri
作为输入，通过插值算法获取任意计算时刻的冷壁热流密度和恢复焓；
39.3.2)结合流场参数，通过冷热壁热流密度转换公式，获取任意计算时刻加载到轴类结构表面的热壁热流密度；
40.3.3)以任意计算时刻的热壁热流密度作为输入，进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构温度。
41.本发明的高速流场环境下轴类结构温度估算方法对研究对象合理地简化，将工程算法、外流场cfd和结构cae方法进行有机结合，提出了一种高效便捷地评估高速流场环境下轴类结构温度的方法。本发明可快速估算高速流场环境下轴类结构任意点的温度，具备较高精度的同时很好地兼顾了仿真效率，是一种高效实用的新型工程化估算方法。
42.为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图3对本发明的高速流场环境下轴类结构温度估算方法进行详细说明。
43.如图1至图3所示，根据本发明的具体实施例提供了一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法，该方法包括以下步骤。
44.1.1)构建二维圆模型，二维圆模型以轴类结构典型半径r为半径，圆心为右手直角坐标系的原点o，x轴与气流来流方向同向，y轴垂直向上。
45.1.2)在二维圆模型的基础上，开展二维cfd计算获取二维圆模型上各处冷壁热流密度和恢复焓。
46.1.3)根据所述二维圆模型上各处冷壁热流密度和恢复焓进行最小二乘法拟合以获取各处冷壁热流密度、恢复焓与x轴坐标的函数关系式。
47.2.1)构建三维轴类结构有限元模型，三维轴类结构有限元模型基于二维圆模型坐标系oxy以右手定则建立三维直角坐标系oxyz，z轴与轴类结构的轴线重合。
48.2.2)基于三维轴类结构有限元模型提取轴类结构表面单元的编号、单元积分点编号及单元积分点坐标信息，将轴类结构表面各单元积分点等效到步骤1.1)的二维圆模型上，根据获取各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值。
49.2.3)根据各单元积分点等效到二维圆上的x轴坐标值xi结合步骤1.3)中的冷壁热流密度、恢复焓与x轴坐标的函数关系式获取轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
和恢复焓h
ri
。
50.2.4)根据对轴类结构表面各单元积分点的冷壁热流密度q
cooli
进行修正以获取修正后的轴类结构表面单元积分点的冷壁热流密度。
51.3.1)以轴类结构表面各单元积分点修正后的冷壁热流密度q
coolxi
和恢复焓h
ri
作为输入，通过插值算法获取任意计算时刻的冷壁热流密度和恢复焓。
52.3.2)结合流场参数，通过冷热壁热流密度转换公式，获取任意计算时刻加载到轴类结构表面的热壁热流密度。
53.3.3)以任意计算时刻的热壁热流密度作为输入，进行轴类结构瞬态传热cae仿真分析以获取轴类结构温度。
54.综上所述，本发明提供了一种高速流场环境下轴类结构温度估算方法，该高速流场环境下轴类结构温度估算方法通过结合工程算法、外流场cfd和结构cae仿真技术，能够对高速流场环境下轴类结构的温度进行快速高效的估算。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术无法适应在资源有限条件下快速估算高速流场环境下轴类结构温度的技术问题。
55.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
56.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。