[发明专利]基于分区建模与界面耦合模拟飞行器表面瞬态热质传输过程的方法

权利要求书

1.一种基于分区建模与界面耦合模拟飞行器表面瞬态热质传输过程的方法，适用于采用相变发汗冷却系统的飞行器，飞行器表面内流区域由多孔介质组成，多孔介质中固相结构的热扩散系数远高于冷却剂，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)根据飞行器的真实结构，分别建立飞行器表面内流区域及临近空间内外流区域的物理模型，进而对内外流区域分别划分网格，实现物理空间的离散化，并根据内外流区域交界面上热流和压力的收敛性，对内外流区域的网格划分进行无关性校核；

步骤2)结合飞行器的实际运行工况，确定外流空气的静温和静压作为外流区域的初始条件，并根据内流区域流体的温度、压力及流量，确定内外流区域交界面及内流区域的初始温度、压力及流量分布；

步骤3)综合考虑内流区域溢出的冷却剂在外流区域内的流动、扩散和相变过程、以及外流区域空气的可压缩性质，采用k-ε模型描述外流区域内的湍流，建立外流区域内多组分流体流动传热计算模型，求解飞行器外流区域的瞬态物理量分布；

步骤4)根据外流区域计算结果，设计内外流区域交界面上数据的交互方法；将内外流区域交界面外侧流体的压力和热流密度设置为内流区域流动传热计算的边界条件，根据内流区域固相和液相的有效热导率之比，计算内流区域多孔介质固相和液相边界的热流密度；

步骤5)综合考虑飞行器表面内流区域中冷却剂的渗流及相变过程，以及多孔介质的毛细结构对液相流动的影响，采用非热平衡模型，建立飞行器表面结构内部的流动传热计算模型，求解飞行器内流区域的瞬态物理量分布；

步骤6)重复步骤3、步骤4和步骤5，在不断迭代的过程中，内外流区域交界面上的数据不断交互，交界面两侧物理量之间的差距逐渐缩小。当内外流区域交界面两侧实现温度连续、热流密度连续、压力连续、流量连续和组分连续五个条件时，迭代过程终止，最后一次迭代中内外流区域的物理量分布，即为当前时间步下，考虑内外流场耦合的飞行器表面物理量分布；

步骤7)重复步骤3至步骤6，获得不同时间步下飞行器表面的物理量分布，最终明确全服役过程中，考虑内外流场耦合的飞行器表面温度和热流等物理量的瞬态变化过程。

2.根据权利要求1所述基于分区建模与界面耦合模拟飞行器表面瞬态热质传输过程的方法，其特征在于，所述外流区域内多组分流体流动传热计算模型表示如下：

式中，ρ是外流区域内流体的密度，u是外流区域内流体的速度，u_i、u_j、u_k和u_l分别代表外流区域流体速度在i、j、k和l方向上的分量，x是外流区域内流体的坐标，x_i、x_j、x_k和x_l分别代表流体坐标在i、j、k和l方向上的分量，p是外流区域内流体的压力，T是外流区域内流体的温度，h是外流区域内流体的比焓，E是外流区域内流体的总能，μ是外流区域内流体的动力粘性系数，t是流动时间；δ_ij是单位二阶张量的分量，其值当且仅当i＝j时为1，否则为0；是雷诺应力，其中u′_i和u′_j分别为外流区域内流体在i和j方向上的脉动速度；k,ε和μ_t分别为流体的湍流脉动能，耗散率和湍流粘性系数；σ_k和σ_ε分别是湍流脉动能和耗散率的湍流普朗特数；C₁和C₂均是常数；Y_n是外流区域流体中第n组分的质量分数，D_m,n和D_T,n分别为外流区域流体中第n组分的质量扩散系数和Soret扩散系数；h_n和分别为外流区域流体中第n组分的比焓和扩散通量；(τ_ij)_eff是外流区域流体的偏应力张量；S_m和S_h分别表示冷却剂相变过程中的质量源项和能量源项，采用Lee模型描述上述源项可得：

S_h＝S_m·h₀

式中，C_evap为Lee模型的蒸发常数，T_sat和h₀分别表示冷却剂的相变温度和相变焓；k_eff表示外流区域流体的等效热导率；外流区域流体的各项物性可采取以下方法计算：

式中，R为摩尔气体常数；c_p表示外流区域内流体的比定压热容；M_n、c_p,n、k_eff,n和μ_n分别是外流区域流体中第n组分的相对摩尔质量、比定压热容、等效热导率和动力粘性系数。