基于轨迹的流热耦合方法，结合高效网格变形技术和凹陷表面数据插值技术

《Aerospace Science and Technology》：Trajectory-based flow–thermal coupling methodology with high-efficiency mesh deformation and recessed surface data interpolation

　　

马晓刚|梁俊|姜宝森|赵瑞

北京工业大学，中国北京市100081

摘要

本文提出了一种基于轨迹的迭代耦合方法，用于分析高超音速飞行器在大气再入过程中的流热耦合现象。具体而言，该方法基于空间嵌套的子模型定义和多层次贪心算法，开发了一种高效的径向基函数（RBF）网格变形技术，能够准确捕捉烧蚀形态并高效地变形计算网格。此外，为了在具有未知数学表达式的凹陷表面上插值热防护系统（TPS）材料响应数据，进一步建立了一种数据处理算法。最后，基于所建立的网格变形技术和凹陷表面数据插值方法，提出了一种流热耦合模拟的迭代方法。通过一系列测试案例对该耦合方法进行了验证，包括对Stardust样本返回舱和高超音速鼻锥的轨迹模拟，预测结果与参考数据吻合良好，表明所提出方法的可行性和准确性。

章节摘录

引言

在大气进入和高超音速飞行过程中，由于脱落激波的强烈压缩和壁面的粘性滞止，飞行器与周围流体之间会发生剧烈的相互作用。随着动能逐渐转化为热量，飞行器会长时间处于高温高压的极端环境中[[1], [2], [3]]。因此，有效的热防护系统对于保持飞行器的结构安全至关重要

空间嵌套贪心RBF动态网格方法

为了描述烧蚀表面的凹陷行为，同时更新流体域中的计算网格，首先基于RBF算法开发了一种高效的动态网格方法。该RBF基网格变形方法通过RBF将表面位移插值到内部网格中：$F(\mathit{r})=\sum _{i=1}^{N_b}{\omega }_i\phi \left(\parallel \mathit{r}-{\mathit{r}}_i\parallel \right)$' role="presentation">$F(\mathit{r})=\sum _{i=1}^{N_b}{\omega }_i\phi \left(\parallel \mathit{r}?{\mathit{r}}_i\parallel \right)$其中 r_i 表示已知位移为 Δx_i 的样本点。r 表示位置向量

结果与讨论

在本节中，通过一系列测试案例（包括对Stardust样本返回舱（Stardust SRC）和高超音速鼻锥在大气再入过程中的轨迹模拟）来验证所建立的流热耦合策略的可行性和准确性。

结论与后续工作

本文提出了一种基于轨迹的迭代耦合方法，用于分析高超音速飞行器在大气再入过程中的流热耦合现象。首先，为了描述烧蚀表面的凹陷行为，同时更新流体域中的计算网格，基于空间嵌套的子模型定义和多层次贪心算法，开发了一种高效的RBF网格变形方法。此外，还进一步开发了一种专门的数据插值方法

作者贡献

马晓刚：概念化（同等贡献）；形式分析（同等贡献）；软件开发（同等贡献）；初稿撰写（同等贡献）。梁俊：审稿与编辑（同等贡献）。姜宝森：审稿与编辑（同等贡献）。赵瑞：资金筹集（同等贡献）；监督（同等贡献）；审稿与编辑（同等贡献）。

数据可用性

本研究的支持数据可向相应作者索取。

CRediT作者贡献声明

马晓刚：初稿撰写、软件开发、形式分析、概念化。梁俊：审稿与编辑。姜宝森：审稿与编辑。赵瑞：审稿与编辑、监督、资金筹集。