本發明公開了一種氣動熱?結構熱傳導耦合非線性降階模型方法，屬于飛行動力學的技術領域，該方法包括：S1：對結構溫度場進行降階，構建結構溫度場降階模型，對結構溫度場降階模型進行訓練，訓練完成后，任意時刻結構溫度場可由低階向量表示；S2：對氣動熱?輻射場進行降階，并構建輸入為Ma、H、α、輸出為熱載荷場低階向量的氣動熱?輻射場模型，對氣動熱?輻射場模型進行訓練，訓練完成后，氣動熱?輻射場模型可根據輸入條件快速輸出熱載荷場低階向量其中，Ma為來流馬赫數、H為飛行高度以及α為來流迎角；S3：時域熱傳導模擬，構建時域熱傳導模型，以結構溫度場低階向量和熱載荷場低階向量訓練時域熱傳導模型，訓練完成后，以進行時域熱傳導模擬。

技術領域

本發明屬于飛行動力學的技術領域，具體而言，涉及一種氣動熱-結構熱傳導耦合非線性降階模型方法，尤其涉及一種適用于熱氣動彈性分析的氣動熱-結構熱傳導耦合非線性降階模型方法。

背景技術

在高超聲速飛行過程中，氣動加熱使得飛行器結構發生明顯溫升，導致強度和剛度損失，進而降低了抵御氣動載荷的能力，引發結構變形和振動，形成威脅飛行安全的熱氣動彈性問題。模擬熱氣動彈性問題需要進行多學科耦合分析，其中氣動熱-結構熱傳導耦合求解是熱氣動彈性分析重要的組成部分。目前，氣動熱求解主要依靠工程方法和數值方法，結構熱傳導求解主要依靠數值模擬方法，其優缺點如下表所示：

表1氣動熱、結構熱傳導主流求解方法

由上表可見，氣動熱求解面臨精度和效率無法兼顧的困境，結構熱傳導也缺乏高效的求解方法。為解決這個問題，Falkiewicz等借助結構動力學模態降階的思路，提出了一種基于溫度場POD(Proper Orthogonal Decomposition,本征正交分解)基的氣動熱-結構熱傳導耦合系統降階方法。該方法分為以下幾個步驟：

1)獲取結構溫度場POD基：針對典型飛行彈道，基于數值模擬方法進行氣動熱-結構熱傳導瞬態耦合分析，從分析結果中采集若干時刻的結構溫度場作為“快照”(輸入)并進行POD分析，得到前k階結構溫度場POD基，記為：

則任意時刻結構溫度場T可由k階向量c表示：

其中，c＝[c₁,c₂,...c_k]^T。

2)結構熱傳導方程降階：借助結構溫度場POD基Φ，將數值計算中的熱傳導方程轉化為：

其中，C為比熱容矩陣、K為熱傳導矩陣、Q為外界對結構的能量凈輸入。

令則(3)寫為：

由于(4)的階數為k，遠小于全階熱傳導方程自由度，因此熱傳導方程得到極大簡化。

3)構建氣動熱降階模型：氣動熱是結構的外部熱源，為(3)式中右端項Q的一部分。影響氣動熱分布的物理量有：來流馬赫數Ma、飛行高度H、來流迎角α、表面溫度場T_w。由于表面溫度場T_w為結構溫度場T的一部分，亦可采用向量c表示：

T_w＝Φ_surfc(5)

其中，Φ_surf為只選取表面節點的溫度場POD基Φ。