再入飛行器脈動壓力環(huán)境特性分析

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1、航天器環(huán)境工程第27卷第3期378SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年6月再入飛行器脈動壓力環(huán)境特性分析蔣華兵，李春麗，陳強洪(中國工程物理研究院總體工程研究所，綿陽621900)摘要：文章通過數(shù)值求解球頭單錐飛行器繞流流場結(jié)構(gòu)，利用均方根脈動壓力系數(shù)，功率譜密度和窄帶空間相關(guān)系數(shù)3個統(tǒng)計參數(shù)分析飛行器湍流附面層脈動壓力環(huán)境特性，為飛行器結(jié)構(gòu)改進設(shè)計提供依據(jù)，并為飛行器環(huán)境條件加載位置、加載密度等參數(shù)的確定提供參考。研究結(jié)果表明，脈動壓力強度沿流向逐漸減小，壓力脈動能量主要集中在比湍流附面層脈動特征頻率小的頻域內(nèi)

2、；脈動壓力空間相關(guān)性沿流向逐漸增強，其衰減能力隨間隔距離的減小而增加，符合脈動壓力的傳播和衰減特征。關(guān)鍵詞：再入飛行器；脈動壓力；功率譜密度；空間相關(guān)性中圖分類號：TB534+．3；V416．2文獻標識碼：A文章編號：1673-1379(2010)03-0378—05DOI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．03．023O前言飛行器再入飛行過程中，流動分離、膨脹、壓縮、激波振蕩以及湍流附面層都會誘導(dǎo)壓力脈動，形成脈動壓力環(huán)境(或稱氣動噪聲環(huán)境)，是飛行器再入飛行剖面內(nèi)主要的動力學(xué)環(huán)蜊¨。大量研究表明，這種脈動壓力環(huán)境所誘導(dǎo)的

3、結(jié)構(gòu)的隨機振動與聲振復(fù)合環(huán)境，會嚴重影響飛行器及其組件結(jié)構(gòu)、工藝和功能的完整性。因此，研究飛行器在再入脈動壓力環(huán)境下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性對于飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計來說非常重要，而結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性研究的重要前提是獲知飛行器外部脈動壓力載荷的表征參數(shù)，其中主要包括均方根脈動壓力系數(shù)、功率譜密度和窄帶空間相關(guān)系數(shù)。理論上，通過數(shù)值模擬方法可以精確地確定脈動壓力的表征參數(shù)。但是由于高超聲速飛行器流場雷諾數(shù)恐達到107～108量級，利用直接數(shù)值模擬(DNS)和大渦模擬(LES)等數(shù)值方法求解湍流脈動將耗費巨大計算資源和很長的計算時間，在當(dāng)前計算機甚至并行計算機平臺下，幾乎

4、不可能完成這樣的數(shù)值求解【2J。目前，工程經(jīng)驗方法是確定脈動壓力表征參數(shù)行之有效的方法，但是現(xiàn)有的工程方法都是利用經(jīng)驗公式或工程算法獲得飛行器湍流附面層外緣參數(shù)，這樣計算結(jié)果比較粗糙【3】。本文將采用數(shù)值模擬與工程經(jīng)驗相結(jié)合的方法：通過數(shù)值仿真求解飛行器時均繞流流場，確定湍流附面層厚度及附面層外緣位置，并利用流場插值獲得附面層外緣流動參數(shù)；以此為初始條件，利用工程經(jīng)驗公式估算再入飛行器的均方根脈動壓力系數(shù)、功率譜密度、窄帶空間相關(guān)系數(shù)，分析脈動壓力在空間和頻域內(nèi)的分布規(guī)律，以及脈動壓力的傳播和衰減特性；其分析結(jié)論可為結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析中確定脈動壓力載荷加載

5、位置和加載密度提供參考，也可為飛行器結(jié)構(gòu)改進設(shè)計提供依據(jù)。1表征脈動壓力環(huán)境特性的統(tǒng)計參數(shù)針對典型飛行器結(jié)構(gòu)和飛行工況，國內(nèi)外學(xué)者就其湍流附面層脈動壓力環(huán)境進行了詳細研究，給出了飛行器脈動壓力的估算公式，并提煉出表征脈動壓力環(huán)境特性的統(tǒng)計參數(shù)。通常情況下，表征脈動壓力環(huán)境特征的統(tǒng)計參數(shù)有3個，分別為均方根脈動壓力系數(shù)、功率譜密度和窄帶空間相關(guān)系數(shù)，它們是飛行器結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。本文結(jié)合相關(guān)文獻，簡要介紹這3個統(tǒng)計參數(shù)的計算方法。1．1均方根脈動壓力系數(shù)均方根脈動壓力系數(shù)主要表征綜合脈動壓力收稿日期：2009．08．3l；修回日期：2009．

6、11．23基金項目：中國工程物理研究院學(xué)科發(fā)展基金項目資助(項目編號：42601)作者簡介：蔣華兵(1979一)，男，工程師，主要從事動力學(xué)環(huán)境條件研究。E．mail：jhb@sip．buaa．edu．c：n．第3期蔣華兵等：再入飛行器脈動壓力環(huán)境特性分析379強度，是脈動壓力環(huán)境特性的第一個統(tǒng)計量。根據(jù)飛行器當(dāng)?shù)貕毫ο禂?shù)≮∞也(習(xí)_瑚／級，利用式(1)即可求解飛行器湍流附面層均方根脈動壓力系數(shù)的分布【11。等一o．晰皓+掣卜∽．枷+亳MⅢc川，丹k砸，r㈣式中：下標00，e和W分別代表無窮遠、附面層外緣和壁面參數(shù)；吼=i1風(fēng)y。2為飛行動壓；√歹2

7、／釓為均方根脈動壓力系數(shù)；M。為飛行馬赫數(shù)；Co(x)為飛行器表面壓力系數(shù)；x為距球頭端點的軸向距離；rw為壁面溫度；M。(工)為附面層外緣馬赫數(shù)；t(x)為附面層外緣溫度；y為空氣Lt熱Lt；Pr為普朗特常數(shù)。1．2功率譜密度飛行器湍流附面層脈動壓力的頻域特性用功率譜密度表示，它代表了脈動壓力功率隨頻率的變化，是脈動壓力特性的第二個統(tǒng)計量。利用均方根脈動壓力系數(shù)，由式(2)即可計算湍流附面層脈動壓力功率譜密度【41。r／=7／]2舞2嵩銜，Q’吼2皖(x’厶皖(x)『，．f，／丫9]2。0KL五／式中：下標∞和L分別代表無窮遠和當(dāng)?shù)貐?shù)；g。為飛行

8、動壓，％=i1風(fēng)k2；≯(廠)為湍流附面層脈動壓力功率譜密度；偽頻率變量，五=o．346v,14．(曲為當(dāng)?shù)?/p>