[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

说明书

本发明公开了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，基于“分区建模，界面耦合”的思想，分离求解了飞行器外流区域的高速可压缩流动和内流区域的低速流动，并设计了内外流区域数据间的传递方法，从而实现了飞行器内外流场的瞬态耦合求解。本发明综合考虑了运行工况下飞行器多孔外壳内部冷却剂的流动及其与外部高马赫数流场间的非稳态热质传输过程，可以准确地预测运行工况下飞行器表面结构的温度和热流分布，对飞行器表面热结构及冷却系统的精细化设计具有指导意义。

技术领域

本发明属于飞行器热管理技术领域，具体涉及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。

背景技术

高速飞行技术被视为未来的颠覆性技术，将对载人空天飞行器的设计理念产生革命性影响。未来高速飞行器的速度将接近大气层内长时间机动飞行的极限，具备运行时间长、飞行速度快等能力特点。然而，此类飞行器在稀薄大气层长时、高速飞行，气动加热非常严酷，必须应用冷却技术，以消除气动热对飞行器内部电子器件的影响。因此开发小空间、高效能的冷却技术，成为此类飞行器设计与研制过程中的关键点之一。在现有的冷却技术中，发汗冷却技术具备较高的冷却能力，且对冷却剂的需求量较小，近年来受到了学界和工业届的高度关注。如何对飞行器发汗冷却系统进行优化设计，使其能够精准匹配飞行器表面热载荷的分布特点，已经成为提升飞行器热防护能力的关键。然而在优化设计之前，必须获取真实飞行条件下飞行器表面温度及热流的瞬态变化过程，以明确现存系统的症结所在。考虑到飞行实验的复杂性，采用数值计算的方法，模拟飞行器内外流区域中的热质传输过程，进而获取飞行器表面的瞬态温度及热流分布变化，具有更高的可行性。然而，在针对飞行器内外流区域热质传输过程的数值模拟工作中，依然面临着一系列挑战。其中包括：(1)缺少耦合考虑飞行器外部高马赫数流动和内部低速流动的计算方法；(2)运行工况中，飞行器的速度及飞行高度将随时间变化，然而目前缺少研究外部流场瞬态变化对内部流场影响的方法。

目前国内外学者针对考虑外流场影响的飞行器表面热质传输过程开展了一系列研究。Dong和Wang采用半混合相模型对发汗冷却系统内的热质传输过程开展了数值研究，并分析了多孔骨架热导率、孔隙率等对系统冷却能力的影响。文章通过在内流区域受热端施加非均匀热流边界条件，以体现飞行器外流场对内流区域流动换热过程的影响。林博希等人开发了用于模拟稳态发汗冷却的多物理量耦合系统，可用于分析稳态服役条件下，飞行器结构内外的热质传输过程。Su等人结合两相混合模型研究了稳态条件下，飞行器发汗冷却系统内的热质传输过程，并分析了多孔结构颗粒直径等参数对冷却效率的影响。从以上的分析可以看出，现有飞行器表面热质传输过程的研究中，多对非稳态高马赫数外流场的模拟进行了不同程度的简化，通常难以研究瞬态变化的飞行器外流场对其内流场的影响。

发明内容

针对目前飞行器表面热质传输过程的数值模拟方法中存在的不足，本发明提出了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。该方法可以获得在具有时变性的外流场内，飞行器表面的温度、热流分布的瞬态变化，以帮助实现对飞行器表面冷却系统的精细化设计。

本发明提出的方法包括以下步骤：

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，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，进而对内流和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、扩散及相变过程，和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如下：