高超声速飞行器热环境计算方法、装置和计算机设备

技术特征：
1.一种高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，读取飞行器模型，生成流场计算网格，并计算每个网格单元的面权重系数；步骤2，离散流场的三维流动控制方程，得到网格单元的离散方程，并基于当前的流场变量计算离散方程中的粘性通量与无粘通量；步骤3，基于当前的流场变量计算每个网格单元的人工粘性系数，并基于面权重系数与人工粘性系数计算每个网格界面的人工粘性项；步骤4，将人工粘性项添加至对应网格单元的离散方程后求解离散方程，完成流场的更新并得到新的流场变量；步骤5，根据时间推进重复步骤2-4对离散方程进行迭代求解，直至流场收敛；步骤6，基于收敛后的流场变量计算高超声速飞行器表面的热流。2.根据权利要求1所述的高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，步骤2具体包括：获取积分形式的可压缩三维流动控制方程，为：（1）式中，为守恒变量矢量，为网格单元，s为网格面矢量，、为界面通量矢量；、、的表达式分别为：（2）式中，为密度，e为总能；为速度矢量，为方向速度，为方向速度，为方向速度；为静压，为控制体表面外法线单位向量，为法向量的分量，为法向量的分量，为法向量的分量；为速度矢量在法向量上的投影，即；h为总焓，、、分别为x、y、z三个方向的正应力，、、、、、为各个方向的切应力，、、为能量项；采用基于非结构网格数据结构的格心型有限体积法对式(1)进行离散，因此对于网格单元，可以得到离散方程为：
（3）式中，为当前单元的编号，为与单元相邻的面的编号；为网格单元的体积，为网格单元的守恒变量，为网格的相邻面数目，为网格面的无粘通量，为网格面的粘性通量，为网格面的面积；直接通过式(2)计算网格单元的粘性通量，并采用amhllc近似黎曼求解器求解无粘通量。3.根据权利要求2所述的高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，步骤3中，所述基于当前的流场变量计算每个网格界面的人工粘性系数，具体为：（4）式中，为网格界面的人工粘性系数，、为该网格界面的尺度，、、分别是当地密度、流动速度和声速，为当地速度散度；网格界面的尺度，，其中，为该网格界面的左右相邻网格单元中的最大面对角线长度，为该网格界面的左右相邻网格单元中的最小边长。4.根据权利要求3所述的高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，步骤3中，所述基于面权重系数与人工粘性系数计算每个网格界面的人工粘性项，具体为：（5）
（6）式中，为人工粘性项，为网格单元的面权重系数，为速度u在y方向的导数，为速度v在x方向的导数，为速度u在z方向的导数，为速度w在x方向的导数，为速度v在z方向的导数，为速度w在y方向的导数。5.根据权利要求4所述的高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，步骤4中，所述将人工粘性项添加至对应网格单元的离散方程即将人工粘性项添加式(3)中，为：（7）求解式(7)即能得到新的流场变量，完成流场的更新。6.根据权利要求1至5任一项所述的高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，步骤1中，所述网格单元的面权重系数为：式中，为网格单元的面权重系数，为该网格单元的面法向矢量与该网格单元距离最近的壁面法向矢量的夹角。7.根据权利要求1至5任一项所述的高超声速飞行器热环境计算方法，其特征在于，步骤6中，所述计算高超声速飞行器表面的热流，具体为：（8）式中，为高超声速飞行器表面的热流，为气体比热比，r为气体常数，为物
理粘性系数，为普朗特数，为温度在壁面法向的梯度，t为温度，n为壁面法向量。8.一种高超声速飞行器热环境计算装置，其特征在于，采用权利要求1-7中任一所述方法进行高超声速飞行器热环境计算。9.一种计算机设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述处理器连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理器、存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理器用于调用所述存储器中的程序指令，以执行权利要求1-7中任一所述方法的部分或全部步骤。

技术总结
本发明公开一种高超声速飞行器热环境计算方法、装置和计算机设备，该方法包括如下步骤：读取飞行器模型，生成流场计算网格，并计算网格的面权重系数；控制方程离散，计算无粘通量与粘性通量；计算人工粘性系数，并对其进行修正；基于人工粘性系数得到人工粘性项，并结合权重系数将人工粘性项添加至离散方程，对离散方程循环迭代求解直至流场收敛，输出当前的流场变量；基于流场变量计算飞行器表面的气动热。本发明应用于高超声速空气动力学、计算流体力学领域，能够解决激波捕捉格式所存在的激波不稳定问题，同时精确分辨边界层黏性流动，进而提高高超声速气动热的数值鲁棒性和计算精度。精度。精度。


技术研发人员：张烨 谢文佳 田正雨 王乐 任伟杰 李桦
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2022.09.15
技术公布日：2022/10/25