基于表面流场拓扑的复杂外形飞行器热环境预测平台研究与实现

论文摘要

气动热环境预测是复杂外形高超声速飞行器工程计算中的关键问题,使用高效的气动热工程近似计算方法是飞行器早期设计阶段热预测的首选方案。然而,传统的工程方法对外形的适应性低,需要人工进行区域划分和近似,不同外形的程序无法直接复用,开发投入高回报低。本文建立的气动热环境在线可视化计算平台是对气动热方法的扩展,对外形的适应性强,通用自动化程度高,提高了外形设计工作的效率。本文研究基于流线追踪方法,在利用流场的附着线特征结合驻点热流方法进行计算气动热的基础上,改进了流线图谱的计算方法,实现了自动提取附着线特征。算法应用于多个外形,对有效性和适用性进行了分析。算例表明,改进后的飞行器表面热流分布合理,且该气动热方法具有适中的精度,能满足复杂外形飞行器早期设计的需要。本文建立的气动热环境快速计算平台是对工程算法的实际应用,具有通用、快捷、可靠的特点。论文首先从技术选型、数据结构组织、算法实现关键技术以及系统详细设计几个方面介绍平台的研发。然后对平台进行了功能测试和性能测试,测试结果表明平台界面友好、运算稳定、效率出色,使用多线程并发技术提升了系统的性能。基于流场拓扑的气动热环境预测平台经过算例分析和系统测试表明,使用几何工程流场对类似钝双锥的简单外形能达到较高的精度,总耗时为秒级别;使用数值无粘流场对类似航天飞机的复杂外形有较高的精度,总耗时主要由计算数值无粘流场耗时决定,耗时为分钟级别。使用几何工程流场时,通过复用耗时占比高的预处理和流线图谱数据,能够减少90%的耗时,极大提升计算效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号表
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 研究历史和现状
•   1.3 本文的研究工作
•   1.4 特色与创新
•   1.5 本文的内容安排
• 2 高超声速气动热算法研究
•   2.1 外形定义
•   2.2 几何流场
•     2.2.1 表面速度场
•     2.2.2 表面压力
•     2.2.3 空气输运属性
•   2.3 流线图谱计算
•     2.3.1 流线微分方程
•     2.3.2 流线计算流程
•     2.3.3 流线特殊处理
•   2.4 驻点区域
•     2.4.1 驻点单元定位
•     2.4.2 驻点曲率半径
•     2.4.3 Epsilon圈计算
•   2.5 附着区域提取
•   2.6 热流计算
•     2.6.1 驻点区域
•     2.6.2 附着线区域
•     2.6.3 大面积区域
•   2.7 小结
• 3 算例及结果分析
•   3.1 算例条件
•   3.2 算例外形
•     3.2.1 钝双锥飞行器
•     3.2.2 AllBody飞行器
•     3.2.3 航天飞机
•   3.3 小结
• 4 高超声速气动热平台研发
•   4.1 技术选型
•     4.1.1 服务器后端
•     4.1.2 前端页面
•   4.2 算法实现关键技术
•     4.2.1 数值积分
•     4.2.2 矩阵运算
•     4.2.3 曲面拟合
•     4.2.4 线段交点
•     4.2.5 多线程并发技术
•   4.3 数据组织
•     4.3.1 Matlab数据交互
•     4.3.2 Tecplot数据交互
•     4.3.3 Java数据组织
•   4.4 系统设计
•     4.4.1 平台功能设计
•     4.4.2 系统用例建模
•     4.4.3 数据库设计
•     4.4.4 用户管理模块
•     4.4.5 文件上传下载模块
•     4.4.6 气动热计算模块
•     4.4.7 可视化交互模块
•   4.5 小结
• 5 平合测试与结果分析
•   5.1 测试环境
•   5.2 平台功能测试
•     5.2.1 用户管理模块测试
•     5.2.2 文件上传与下载模块测试
•     5.2.3 气动热计算模块测试
•     5.2.4 可视化交互模块测试
•   5.3 平台性能测试
•     5.3.1 负载测试
•     5.3.2 速度测试
•     5.3.3 计算效率测试
•   5.4 小结
• 6 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 蒙小龙

导师: 刘志勤

关键词: 气动热,工程方法,流场拓扑,计算平台,可视化

来源: 西南科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑,信息科技

专业: 力学,航空航天科学与工程,航空航天科学与工程,计算机软件及计算机应用

单位: 西南科技大学

分类号: TP311.52;V211;V411

总页数: 98

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