[发明专利]一种超声速边界层特征厚度估算方法

说明书

本发明公开了一种超声速边界层特征厚度估算方法：在壁面上法向方向上目标位置的布置评估点：评估点分布在边界层内外，根据法向方向网格的等效厚度，确定评估点的分布位置；使用评估点附近网格节点上的流场数据，在评估点位置进行插值，获得壁面上目标位置的法向方向上的流场，并将其投影到正交贴体坐标系下；建立评估点上综合判定特征量与壁面距离的函数关系；通过判定准则确定特征点，以该特征点到壁面的距离估算边界层特征厚度。本发明在复杂几何和来流情况下，对于马赫数为3到20的超声速流动数值计算结果，快速准确地估算出边界层特征厚度。

技术领域

本发明涉及超声速飞行器数值计算领域，更具体的说，是涉及一种超声速边界层特征厚度估算方法。

背景技术

航空航天技术关系到国家的经济及安全，其中高速飞行技术中的挑战性气动问题之一就是边界层转捩位置的预测。由于湍流的摩擦系数和传热系数远大于层流，边界层是否转捩和在何处转捩直接影响飞行器的摩擦阻力、热防护及流动分离位置等。若能较准确地预测出转捩位置并延迟转捩的发生，则可以提高升阻比，降低燃料消耗，为热防护设计提供依据，大大地改进飞行器性能。边界层转捩预测是准确预测超声速飞行器阻力和热流的前提之一，也是新型航空航天飞行器气动研制和热防护设计的瓶颈之一。而边界层特征参数的识别是边界层转捩位置准确预测的前提。

然而基于经典的理论和传统的方法所建立的边界层特征厚度识别技术在超声速复杂三维边界层的边界层特征参数识别遇到的很多的问题，主要表现在以下几个方面：

对于复杂三维流动，无法保证边界层内的计算网格都垂直于壁面，而边界层特征厚度的定义是基于壁面法向方向上的流向速度分布，因此需要将复杂三维流场采用数值插值的方法投影到壁面法向方向。由于边界层内的速度剖面变化很大，因此需要在边界层内布置足够多的评估点探知流速、密度等变化趋势，从而分析出边界层内的流场变化趋势并估算特征厚度。因此，自动合理地布置壁面法线上的评估点直接影响到定位的准确。

对于超声速复杂三维流场，其壁面法向方向的速度剖面较复杂。传统理论方法按照当地速度与边界层外的流向速度之比判断边界层厚度边界，但是，由于超声速边界层外的流动为激波后流动，因此边界层外的流向速度并不是趋近一常数，而是随着法向方向的增加而减小，此时采用传统理论定义的边界层厚度判定方法将导致失效。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种超声速边界层特征厚度估算方法，在复杂几何和来流情况下，对于马赫数为3到20的超声速流动数值计算结果，快速准确地估算出边界层特征厚度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种超声速边界层特征厚度估算方法，包括以下步骤：

S1，在壁面上目标位置的法向方向上布置评估点：评估点分布在边界层内外，根据法向方向网格的等效厚度，确定评估点的分布位置；

S2，使用评估点附近网格节点上的流场数据，在评估点位置进行插值，获得壁面上法向方向上的目标位置的流场，并将其投影到正交贴体坐标系下；

S3，建立评估点上综合判定特征量与壁面距离的函数关系；

S4，通过判定准则确定特征点，以该特征点到壁面的距离估算边界层特征厚度。

步骤S1中采用投影的算法，计算法向方向网格的等效厚度，以此确定评估点的分布位置：