再入飞行器脉动压力环境特性分析

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1、航天器环境工程第27卷第3期378SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年6月再入飞行器脉动压力环境特性分析蒋华兵，李春丽，陈强洪(中国工程物理研究院总体工程研究所，绵阳621900)摘要：文章通过数值求解球头单锥飞行器绕流流场结构，利用均方根脉动压力系数，功率谱密度和窄带空间相关系数3个统计参数分析飞行器湍流附面层脉动压力环境特性，为飞行器结构改进设计提供依据，并为飞行器环境条件加载位置、加载密度等参数的确定提供参考。研究结果表明，脉动压力强度沿流向逐渐减小，压力脉动能量主要集中在比湍流附面层脉动特征频率小的频域内

2、；脉动压力空间相关性沿流向逐渐增强，其衰减能力随间隔距离的减小而增加，符合脉动压力的传播和衰减特征。关键词：再入飞行器；脉动压力；功率谱密度；空间相关性中图分类号：TB534+．3；V416．2文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)03-0378—05DOI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．03．023O前言飞行器再入飞行过程中，流动分离、膨胀、压缩、激波振荡以及湍流附面层都会诱导压力脉动，形成脉动压力环境(或称气动噪声环境)，是飞行器再入飞行剖面内主要的动力学环蜊¨。大量研究表明，这种脉动压力环境所诱导的

3、结构的随机振动与声振复合环境，会严重影响飞行器及其组件结构、工艺和功能的完整性。因此，研究飞行器在再入脉动压力环境下的结构响应特性对于飞行器环境适应性设计来说非常重要，而结构响应特性研究的重要前提是获知飞行器外部脉动压力载荷的表征参数，其中主要包括均方根脉动压力系数、功率谱密度和窄带空间相关系数。理论上，通过数值模拟方法可以精确地确定脉动压力的表征参数。但是由于高超声速飞行器流场雷诺数恐达到107～108量级，利用直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)等数值方法求解湍流脉动将耗费巨大计算资源和很长的计算时间，在当前计算机甚至并行计算机平台下，几乎

4、不可能完成这样的数值求解【2J。目前，工程经验方法是确定脉动压力表征参数行之有效的方法，但是现有的工程方法都是利用经验公式或工程算法获得飞行器湍流附面层外缘参数，这样计算结果比较粗糙【3】。本文将采用数值模拟与工程经验相结合的方法：通过数值仿真求解飞行器时均绕流流场，确定湍流附面层厚度及附面层外缘位置，并利用流场插值获得附面层外缘流动参数；以此为初始条件，利用工程经验公式估算再入飞行器的均方根脉动压力系数、功率谱密度、窄带空间相关系数，分析脉动压力在空间和频域内的分布规律，以及脉动压力的传播和衰减特性；其分析结论可为结构响应分析中确定脉动压力载荷加载

5、位置和加载密度提供参考，也可为飞行器结构改进设计提供依据。1表征脉动压力环境特性的统计参数针对典型飞行器结构和飞行工况，国内外学者就其湍流附面层脉动压力环境进行了详细研究，给出了飞行器脉动压力的估算公式，并提炼出表征脉动压力环境特性的统计参数。通常情况下，表征脉动压力环境特征的统计参数有3个，分别为均方根脉动压力系数、功率谱密度和窄带空间相关系数，它们是飞行器结构响应分析的关键输入参数。本文结合相关文献，简要介绍这3个统计参数的计算方法。1．1均方根脉动压力系数均方根脉动压力系数主要表征综合脉动压力收稿日期：2009．08．3l；修回日期：2009．

6、11．23基金项目：中国工程物理研究院学科发展基金项目资助(项目编号：42601)作者简介：蒋华兵(1979一)，男，工程师，主要从事动力学环境条件研究。E．mail：jhb@sip．buaa．edu．c：n．第3期蒋华兵等：再入飞行器脉动压力环境特性分析379强度，是脉动压力环境特性的第一个统计量。根据飞行器当地压力系数≮∞也(习_瑚／级，利用式(1)即可求解飞行器湍流附面层均方根脉动压力系数的分布【11。等一o．晰皓+掣卜∽．枷+亳MⅢc川，丹k砸，r㈣式中：下标00，e和W分别代表无穷远、附面层外缘和壁面参数；吼=i1风y。2为飞行动压；√歹2

7、／钆为均方根脉动压力系数；M。为飞行马赫数；Co(x)为飞行器表面压力系数；x为距球头端点的轴向距离；rw为壁面温度；M。(工)为附面层外缘马赫数；t(x)为附面层外缘温度；y为空气Lt热Lt；Pr为普朗特常数。1．2功率谱密度飞行器湍流附面层脉动压力的频域特性用功率谱密度表示，它代表了脉动压力功率随频率的变化，是脉动压力特性的第二个统计量。利用均方根脉动压力系数，由式(2)即可计算湍流附面层脉动压力功率谱密度【41。r／=7／]2舞2嵩衔，Q’吼2皖(x’厶皖(x)『，．f，／丫9]2。0KL五／式中：下标∞和L分别代表无穷远和当地参数；g。为飞行

8、动压，％=i1风k2；≯(厂)为湍流附面层脉动压力功率谱密度；伪频率变量，五=o．346v,14．(曲为当地