一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法，屬于高超聲速氣動(dòng)物理
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器以高超聲速在大氣層內(nèi)飛行過程中，產(chǎn)生脫體激波，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由于 溫度升高，導(dǎo)致空氣化學(xué)反應(yīng)或離解、電離及表面材料燒蝕，在飛行器周圍形成"等離子體 鞘套"，將造成飛行器接收或發(fā)射電磁波信號的能力大為減弱，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)通訊信號 中斷，從而影響到飛行器的正常飛行和制導(dǎo)系統(tǒng)的正常工作。充分認(rèn)識飛行器周圍的等離 子體分布規(guī)律，是正確預(yù)測通訊信號衰減特性的前提，具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
[0003] 當(dāng)前進(jìn)行流場電子密度預(yù)測的方法主要是借助數(shù)值模擬手段進(jìn)行流場計(jì)算完成， 需要求解描述返回器再入流動(dòng)的多組分全N-S方程。該方法可以給出返回器繞流全流場各 處電子密度分布，是一種精細(xì)刻畫的方法。但是現(xiàn)有各種數(shù)值模擬方法進(jìn)行高超聲速再入 過程的多組分化學(xué)反應(yīng)流場求解需要消耗較大的計(jì)算成本和時(shí)間成本，往往需要數(shù)天時(shí)間 才能獲得一個(gè)電子密度流場分布數(shù)據(jù)。研宄分析發(fā)現(xiàn)，對于天線信號通訊中斷分析，等離子 體圓頻率是影響信號中斷的重要參數(shù)，如果能夠給出流場峰值圓頻率，即使沒有全流場沿 程數(shù)據(jù)也可以對通信信號中斷進(jìn)行快速分析和判斷。國內(nèi)外針對等離子體預(yù)測主要依靠實(shí) 驗(yàn)分析和數(shù)值預(yù)測，還沒有一種進(jìn)行峰值電子密度預(yù)測的快速方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種返回器流場峰值電 子密度快速預(yù)測方法，解決了返回器通信信號中斷快速分析的問題。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0006] 一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法，包括以下步驟：
[0007] (1)根據(jù)來流條件確定氣流總焓hs，并依據(jù)等熵關(guān)系式確定激波后氣體壓力ps;所 述的來流條件包括來流馬赫數(shù)M"、靜溫T"、靜壓p";
[0008] (2)求解駐點(diǎn)位置氣體靜溫T、組分濃度cJ;
[0009](3)由壓力ps、氣體靜溫T、組分濃度Cj，求解得到駐點(diǎn)位置峰值電子密度Nes;[0010](4)求解歐拉方程得到返回器表面壓力分布p;
[0011] (5)由駐點(diǎn)區(qū)域峰值電子密度Nes、返回器表面壓力p求解得到返回器流場峰值電 子密度。
[0012] 步驟⑵中的氣體溫度T、組分濃度Cj的確定方式如下：
[0013] (2a)給定初始?xì)怏w靜溫和組分?jǐn)?shù)密度，求解下述方程得到31 dP A Inn :
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 根據(jù)來流條件確定氣流總焓hs，并依據(jù)等熵關(guān)系式確定激波后氣體壓力ps;所述的 來流條件包括來流馬赫數(shù)M"、靜溫T"、靜壓p" ; (2) 求解駐點(diǎn)位置氣體靜溫T、組分濃度Cj; (3) 由壓力ps、氣體靜溫T、組分濃度Cj，求解得到駐點(diǎn)位置峰值電子密度Nes; (4) 求解歐拉方程得到返回器表面壓力分布p ; (5) 由駐點(diǎn)區(qū)域峰值電子密度Nes、返回器表面壓力p求解得到返回器流場峰值電子密 度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法，其特征在于： 所述步驟（2)中的氣體溫度T、組分濃度的確定方式如下： (2a)給定初始?xì)怏w靜溫和組分?jǐn)?shù)密度，求解下述方程得到31,.和Ain n:
其中，nj為組分j的數(shù)密度，g」為組分j的自由能，a kj、aij分別為組分j關(guān)于元素k和 i的相關(guān)系數(shù)，bk為每千克氣體混合物中元素k的千克-摩爾數(shù)，（劣為氣體組分j在標(biāo) 準(zhǔn)溫度的焓值，Jr i為元素i的數(shù)乘因子；1表示元素的總個(gè)數(shù);m表示氣體組分的總數(shù)；n表 示氣體的數(shù)密度總和；R表示氣體常數(shù)，取8314J/kg-K ; (2b)由步驟（2a)中得到的Jr JP Ain n，求解組分?jǐn)?shù)密度\和組分濃度Cj，進(jìn)而利用 組分濃度h和氣體總焓h 3反求獲得當(dāng)前氣體靜溫T :
其中，nij為組分j的分子質(zhì)量； (2c)利用步驟（2b)求解的當(dāng)前氣體靜溫和組分?jǐn)?shù)密度以及步驟（2a)中的公式，求解 下一刻的^和Ain n，再利用31 ,和Ain n求解下一刻的氣體靜溫和組分?jǐn)?shù)密度，并進(jìn) 行迭代計(jì)算；迭代計(jì)算滿足下面任一條件都將結(jié)束： (2cl)迭代計(jì)算出的氣體溫度和組分?jǐn)?shù)密度相對于上一次迭代求解的值變化小于 1% ； (2c2)迭代次數(shù)達(dá)到限定迭代步數(shù)，一般限定迭代步數(shù)為20。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法，其特征在于： 所述步驟（5)中的返回器流場峰值電子密度的求解方式如下： Ne = Nes ? (p/ps) 〇
【專利摘要】本發(fā)明一種返回器流場峰值電子密度快速預(yù)測方法：根據(jù)來流條件確定氣流總焓，并依據(jù)等熵關(guān)系式確定激波后氣體壓力；求解駐點(diǎn)位置氣體靜溫和組分濃度；由壓力、氣體靜溫、組分濃度，求解得到駐點(diǎn)位置峰值電子密度；求解歐拉方程得到返回器表面壓力分布；由駐點(diǎn)區(qū)域峰值電子密度、返回器表面壓力求解得到返回器流場峰值電子密度。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在保證結(jié)果精度的前提下，計(jì)算成本大大降低，計(jì)算效率提高10倍，可靠性大大增強(qiáng)。
【IPC分類】G06F17-11
【公開號】CN104615580
【申請?zhí)枴緾N201510035760
【發(fā)明人】苗文博, 李齊, 黃飛, 張亮, 程曉麗
【申請人】中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月23日