[发明专利]一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术

说明书

本发明涉及转捩实验数据拓展技术，本发明公开了一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，采用具有可靠理论支撑的稳定性分析手段对现有风洞实验与飞行试验数据，根据其来流雷诺数、攻角以及表面粗糙度等对横流转捩位置影响显著的来流参数或物性参数，在稳定性理论适用的范围内对上述参数进行改变，获得横流转捩位置的理论解，从而实现对实验数据的延拓。本发明相比飞行试验和风洞实验，具有成本低、容易实现和可靠性高的特点，作为对实验数据的补充和拓展，弥补了目前直接补充数据所具有的成本高、周期长、难度大的缺点。

技术领域

本发明涉及转捩实验数据拓展技术领域，尤其涉及一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术。

背景技术

流体绕固体流动时，流体与固体相互发生作用的区域集中在固体壁面周围较薄的一层区域，称为边界层。边界层有层流与湍流两种流态，这两种流态对于作用在绕流物体壁面的气动力、气动热分布等方面存在巨大区别，状态区别是必须加以考虑的重要工程因素。由层流流态转变为湍流流态的过程称为转捩，如果能准确预测转捩，则能够确定流场中的层流、湍流状态区别。因此，转捩预测对于航空航天飞行器设计具有十分重要的意义。转捩分为多种类型(模态)，主要可以分为第一模态、第二模态、横流模态等。真实航空航天飞行器的三维边界层转捩中，横流模态转捩通常占据主导地位。对横流转捩的预测成为了航空航天飞行器表面转捩预测的关键技术。

目前横流转捩预测的数值方法主要包括直接数值模拟(DNS)、大涡模拟(LES)、稳定性分析以及转捩模型。DNS与LES计算量过大，稳定性分析具有可靠的理论背景，但需要根据不同工况针对N值进行多次标定，不具有普适性。转捩模型兼具计算资源需求低以及计算稳定可靠的特点，成为最具有工程应用前景的转捩预测手段。而横流转捩模型预测技术一大掣肘就是实验数据严重缺乏。

横流转捩模型的开发需要大量可靠实验数据的支撑。横流转捩实验包括飞行试验与风洞实验。飞行试验是通过飞机、火箭等手段将实验模型在高空进行测试，由于飞行成本和测试成本高，基本上无法进行重复实验，导致了实验数据的匮乏。高马赫数风洞实验需要模拟真实飞行器的低噪声来流条件，同时需要具备一定的运行时间，全世界能达到该条件的风洞设备屈指可数，而这些风洞产出并公布的横流转捩实验数据更是乏善可陈。

目前缺乏高效低成本的横流转捩实验数据拓展方法。针对现有实验数据的拓展，主要分为实验补充和理论拓展两种手段。直接采用飞行试验进行数据补充，成本奇高而难以承受。采用风洞实验进行数据补充，则需要在静音风洞中进行实验，同样存在难度大、成本高的问题。针对该现状，最具有可行性并且成本较低的方法是采用与转捩相关的稳定性理论对实验数据进行理论拓展。目前该领域研究较少，国内外未见针对转捩试验数据理论拓展方法的系统的论文或者报告。

发明内容

针对现有横流转捩风洞实验与飞行试验成本高、难度大的问题，本发明提出了一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，该技术相比飞行试验和风洞实验，具有成本低、容易实现和可靠性高的特点，作为对实验数据的补充和拓展，弥补了目前直接补充数据(直接采用风洞实验和飞行试验对实验数据进行补充)所具有的成本高、周期长、难度大的缺点。

本发明的基本思路是采用具有可靠理论支撑的稳定性分析手段对现有风洞实验与飞行试验数据，根据其来流雷诺数、攻角以及表面粗糙度等对横流转捩位置影响显著的来流参数或物性参数，在稳定性理论适用的范围内对上述参数进行改变，获得横流转捩位置的理论解，从而实现对实验数据的延拓。

本发明提出的一种基于稳定性方法的横流转捩实验数据拓展技术，包括以下步骤：

S1.获取少量实验数据：获取少量的风动实验与飞行试验数据，包括实验模型外形及其特征参数、来流马赫数Ma、来流雷诺数Re与表面粗糙度h；

S2.实验数据层流解再现：根据实验模型外形绘制计算网格，设定边界条件，利用流场解算器展开层流计算，得到层流解；