[发明专利]载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法，用于将载人航天器舱内热环境计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，以下简称为CFD)数值预测方法的计算速度提高，并保证计算精度。

背景技术

载人航天器舱内由于携载航天员，舱内存在大气，对舱内温度控制的精度要求较高，为了保障航天员在舱内的正常生存和舱内电子设备的正常工作，必须在设计研制过程中对舱内热环境进行预测评估，从而保证在实际飞行过程中航天员的安全和舱内设备的正常运转.

然而，寻求一个准确合理的舱内热环境预测分析方法并不是一朝一夕之事，必须通过系统的理论论证和数值仿真分析等手段来进行探索，从而形成一套行之有效的计算方法或工具。由此可见对载人航天器舱内热环境快速预测分析技术的研究具有重要的意义和地位。

针对有气体流动的密封舱，舱内热环境CFD预测方法中目前使用较多的是紧耦合计算方法。一般来说，紧耦合数值计算方法是指从数学的角度，将流场与结构传热的数学模型统一化，按统一的时间步长同步求解，并通过边界条件相互作用.紧耦合方法一般统一采用流场的特征时间作为计算步长，特点是流场与结构传热实时耦合，反映了物理实际，但计算需要耗费大量时间，且在处理复杂三维几何体方面，有很多需要函待解决的问题。

紧耦合计算的特点是流场与结构计算域在接触面实时交互数据，耦合迭代，主要体现在流体与结构接触面上的边界条件处理，即各自的温度边界条件.如图1所示，在直角坐标系下，记流体和结构的计算域分别为Ω_F和Ω_S，Γ为流、固接触面。热传导方程在边界Γ上的定解条件如下公式1。

其中，q_s为接触面Γ传至结构内部的热流。从能量守恒出发，在忽略辐射效应的假设前提下，流体区域传至固壁的热流应等于固壁传至结构体内部的热流，因此得出如下公式2。

q_xn_x+q_yn_y＝q_s 公式2

因此，通过公式2建立起流场与结构传热计算的耦合关系，先给定t＝0流场Ω_F的初场和Γ上的温度分布，通过求解Navier-Stokes方程得到Δt时间后壁面Γ上的热流分布。然后以该热流分布为边界条件，用有限单元法计算Δt时间后的结构温度分布，并得到壁面Γ上新的温度分布，至此完成耦合计算的一个周期。如此反复迭代，直到计算要求的截止时刻。

因此，急需一种载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方案，能够在计算时通过对流场与温度场计算时间步长分别进行合理选取，在每个时间步长内分别进行迭代计算，从而提高载人航天器舱内热环境CFD数值计算效率，并节省计算时间的同时能够保证计算精度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法，在计算的第一个时间步长Δt₁内将流场与温度场同时进行耦合迭代计算，随后在第二个时间步长Δt₂内将流场视为瞬态固定进行温度场的迭代计算，之后继续在Δt₁的时间步长内继续同时求解流场和温度场，以此进行循环计算直至结束.

本发明提供了一种载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法，用以在确保计算精度的同时，提高载人航天器舱内热环境计算流体力学数值预测过程的计算速度，包括以下步骤：步骤一，在第一时间步长内，将载人航天器舱内的流场与温度场同时进行耦合迭代计算；步骤二，在第二个时间步长内，将流场视为瞬态固定而对温度场进行迭代计算；以及步骤三，基于第一时间步长和第二时间步长，循环进行迭代计算直至求解结束。

在步骤一中执行：选择第一时间步长作为一个时间推进步长，同时计算载人航天器舱内的流场与温度场，从而进行迭代求解。

具体地，能量场的计算采用固体和流体区域的能量方程。

固体区域的能量方程为：

其中，ρ为固体区域的密度，C_p为固体区域的定压比热，λ为固体区域的导热系数，T为温度，t为时间，

流体区域的能量方程为：

其中，u、v、w分别表示流体区域在x、y、z方向的速度，k为流体区域的传热系数。

流场的计算采用的是流体区域的动量方程，并且为：

其中，μ为流体区域的动力粘度，p为流体区域的微元体上的压力。