[发明专利]一种钝体外形过渡流区气动特性的快速预测方法

说明书

本发明属于飞行器气动性能测试技术领域，尤其涉及一种钝体外形过渡流区气动特性的快速预测方法，包括：首先采用给定高度下的DSMC结果确定系数A、B、C值；然后求解桥函数公式中过渡流区待计算高度工况的来流Knsubgt;tr/subgt;及其对应的连续流区气动力系数Csubgt;cont/subgt;及自由分子流区气动力系数Csubgt;fm/subgt;；最后采用给定的桥函数公式计算得到过渡流区气动力系数Csubgt;tr/subgt;值。采用本发明方法大大降低了DSMC的模拟难度，在计算精度及计算效率方面都得到了极大改善，可为过渡流区飞行器气动特性的快速评估提供技术支撑。

技术领域

本发明属于飞行器气动性能测试技术领域，尤其涉及一种钝体外形过渡流 区气动特性的快速预测方法。

背景技术

航天器再入过程中经历连续流区、过渡流区及自由分子流区。再入过程中 各阶段的气动特性计算，连续流区可采用求解NS方程方法；滑移流区可采用求 解滑移修正的NS方程方法；自由分子流区可采用理论求解方法；对于介于滑移 流区和自由分子流区之间的过渡流区域，可采用数值方法(DSMC)或工程方法 (桥函数关系)。数值方法计算精度高，但计算量太大，不适合气动特性快速评 估及方案论证的需要。而稀薄过渡流区的工程方法相对于数值方法计算效率更高，在结合数值方法及实验数据验证的基础之上，可满足初期选型设计的需要。

现有过渡流区气动特性的快速求解方法中Lockheed的正弦函数的桥方法 应用较为快速方便，但对于不同外形而言经验性较强且精度较低，而Wilmoth 等人给出的Erf-log桥函数需要合理精确地给出中值Kn，对于每一个计算姿态 角而言，此值往往不同，并且每一个气动特性系数不同，此值亦不同，既使不 考虑每一个气动系数确定中值时所需数值仿真状态的不同，每一个计算姿态角 最少需要计算两个DSMC数值仿真结果，这使得其在计算效率方面大大降低。

现有技术中的桥函数方法在精算精度与效率两个方面不能同时兼顾，并且 存在快速求解过渡流区气动特性要么精度较低、要么计算复杂等问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，根据现有快速求解飞行 器过渡流区气动特性的需要，提供一种钝体外形过渡流区气动特性的快速预测 方法，旨在降低模拟难度，为过渡流区飞行器气动特性的快速评估提供技术支 撑。

为解决上述技术问题，本发明公开了一种钝体外形过渡流区气动特性的快 速预测方法，包括以下步骤：

(1)采用给定高度下的DSMC结果确定系数A、B、C值；

(2)求解桥函数公式中过渡流区待计算高度工况的来流努森数Kn_tr及其对 应速度下的连续流区气动力系数C_cont及自由分子流区气动力系数C_fm；

(3)采用步骤(1)和步骤(2)确定的系数A、B、C及Kn_tr、C_cont、C_fm值求解 飞行器过渡流区气动力系数C_tr值。

所述步骤(3)中的飞行器过渡流区气动力系数C_tr值为轴向力系数CA、法向 力系数CN或俯仰力矩系数Cmz。

在上述的钝体外形过渡流区气动特性的快速预测方法中，所述步骤(1) 的具体求解步骤如下：

(1.1)给定任一来流努森数Kn′_tr(0.01≤Kn′_tr≤25)高度下的DSMC气动力 系数计算值C_tr′；

(1.2)采用牛顿流公式或NS方程求解给定来流对应速度下的C′_cont，采用 自由分子流理论公式求解给定来流对应速度下的C′_fm值；