基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法技术

基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法，(1)采用直接模拟蒙特卡罗方法对飞行器流场计算域进行背景网格划分，并进行并行流场计算，获得流场分布参数；(2)任一个并行节点进行如下处理：计算该网格单元的特征尺度与该网格单元局部自由程的比值R，根据R确定该网格单元需要抛分的个数以及能否进行抛分，将能够进行抛分的网格单元及其抛分个数进行标记并进行全局广播；(3)所有节点都根据标记信息进行对应网格单元的抛分，并确定原网格单元中粒子与抛分后的网格单元的归属，完成一次自适应处理；(4)对网格单元继续进行全流场的并行计算，判断流场自适应处理次数是否达到预定值，未达到返回(2)继续处理，若达到则继续并行计算直至仿真模拟结束，从而得到飞行器气动特性规律。

A method for determining aerodynamic characteristics of aircraft based on particle search technology under arbitrary throw grid

Based on the particle search technique under arbitrary meshing, the aerodynamic characteristics of aircraft are determined. (1) The background grid is generated by using the direct simulation Monte Carlo method, and the flow field distribution parameters are obtained by parallel flow field calculation. (2) Any parallel node is processed as follows: the grid sheet is calculated. The ratio of the characteristic scale of the element to the local free path of the element R determines the number of elements to be thrown and whether the element can be thrown, and then marks and broadcasts them globally. (3) All nodes throw the corresponding elements according to the marking information. (4) Continue the parallel computation of the whole flow field to determine whether the number of self-adaptive processing of the flow field reaches the predetermined value or not, and fail to return. (2) Continue the parallel calculation until the simulation model is reached. The aerodynamic characteristics of the aircraft are obtained.

【技术实现步骤摘要】
基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法
本专利技术涉及基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法
技术介绍
直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法自出现以来已成功应用于临近空间高超声速飞行器、深空探测、卫星技术等航天器稀薄气体效应下的气动特性预测问题。然而该方法在模拟过程中有其自身的许多约束，其中网格尺度的要求是其中重要约束之一。这主要是由于在稀薄流区的DSMC方法模拟中，网格的主要作用有两个方面，一是为了采样统计出宏观流场变量，另一方面主要是为了在模拟过程中选取碰撞对。即两个相互碰撞的分子必须在同一网格中。研究表明，DSMC模拟中必须保证网格尺寸在当地分子自由程的三分之一量级才能有效保证模拟结果的正确性，即在DSMC模拟过程中碰撞对的选取在空间上必须满足一定的限制，这一要求给DSMC模拟相对较高的密度区域(自由程相对较小)带来了很大难度，并且在全流场模拟过程中很难保证全流场网格尺寸满足这一要求。为了保证更接近物理的近距离分子碰撞，网格需要在流场变化剧烈的位置及其进行加密，而自适应加密技术是有效解决此问题的有效途径。自适应加密技术在DSMC方法的应用中国内外已开展了大量的研究工作，然而其主要集中于直角网格的研究，少有非结构四面体网格的自适应方法介绍。国际上已形成了许多较为著名的DSMC仿真代码，其中基于直角网格自适应技术的主要有DAC代码、SMILE代码、ICARUS代码及DS2V/3V代码。基于非结构四面体网格的MONACO代码及PDSC代码，其中非结构四面体网格均未采用自适应技术，需要依据经验去加密网格，国内关于DSMC方法的研究工作也取得了一定的进展，但自适应网格技术主要以直角网格自适应技术为主，非结构网格技术主要为二维自适应技术。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，根据现有研究DSMC自适应网格技术的需要，提供了基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法。本专利技术的技术解决方案是：基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法，包括以下步骤：(1)采用直接模拟蒙特卡罗方法对飞行器流场计算域进行背景网格的划分，并进行并行流场计算，获得流场分布参数；(2)任一一个并行节点根据流场分布参数对每一个网格单元进行如下处理：计算该网格单元的特征尺度与该网格单元局部自由程的比值R，根据该比值R确定该网格单元需要抛分的个数以及能否进行抛分，将能够进行抛分的网格单元及其抛分个数进行标记并进行全局广播；(3)其它并行节点接收全局广播的标记信息，所有节点都根据标记信息进行对应网格单元的抛分，并确定原网格单元中粒子与抛分后的网格单元的归属，完成一次自适应处理；(4)对步骤(3)处理后的网格单元继续进行全流场的并行计算，判断流场自适应处理次数是否达到预定值，未达到预定值，返回(2)继续处理，若达到预定值，则继续并行计算直至仿真模拟结束，从而得到飞行器气动特性规律。进一步的，背景网格尺寸为远场来流自由程的1-3倍。进一步的，根据该比值R确定该网格单元需要抛分的个数以及能否进行抛分具体通过下述方式实现：首先，根据R值确定抛分个数N的值；当2≤R＜4，时N＝2；4≤R＜8，时N＝4；R＞8，时N＝8；R＜2，时N＝0，当前网格不能进行抛分；然后将当前网格单元抛分成N个新的网格单元，新网格单元的形状与原网格单元的形状一致；最后，判断每个新的网格单元中的粒子个数是否不少于5个，若满足，则当前网格单元能够进行抛分，抛分的个数记为N，否则，当前网格单元不能够进行抛分。进一步的，当网格单元为四面体时，N＝2时，采用在四面体任一面的一个边增加一个点的方式将四面体抛分成两个四面体；N＝4时，采用在四面体任一面的三个边各增加一个点的方式将四面体抛分成四个四面体；N＝8时，采用在四面体每个边各增加一个点的方式将四面体抛分成八个四面体。进一步的，增加的点的位置优选为所在边的中点。进一步的，原网格单元中粒子与抛分后的网格单元的归属通过下属方式确定：将抛分前网格单元中的粒子逐一求解其与抛分后网格单元的格心距离，将距离最小的抛分后的网格单元标记为该粒子所在的新网格单元。进一步的，步骤(4)中的预定值取2-5。进一步的，该方法适应于飞行器在稀薄大气飞行环境下的气动特性规律确定。进一步的，所述的飞行器气动特性规律利用抛分后网格并行计算得到的流场基础上，在原物面网格单元上进行粒子的动量、能量统计平均，结果作为飞行器气动特性；所述的原物面网格为背景网格中代表飞行器表面的物面边界面单元。本专利技术与现有技术相比的优点：目前国际上非结构网格DSMC方法主要基于两种网格体系，一种是基于直角网格的仿真模拟，其计算难点主要在于壁面网格的处理方面，另一种为基于四面体网格的仿真模拟，其计算难点在于粒子所在的网格搜索方面，而在自适应网格的DSMC方法方面主要集中于直角网格的研究，非结构四面体网格的自适应方法方面研究较少，现有多为二维三角形网格自适应技术，且常借鉴连续流区NS方法的自适应技术，然而，这种自适应非结构四面体技术网格自适生成较为复杂，单个网格的加密会影响相邻网格的加密与尺度，处理难度较大，因此，现有DSMC非结构四面体网格自适应技术还不成熟，且借鉴连续流区NS方法的自适应非结构四面体网格技术存在网格处理难度大，加密过程严重影响相邻网格的尺度与加密程度，而本专利技术方法针对DSMC仿真中非结构四面体网格自适应技术难点，通过分析粒子模拟中网格的作用与特点，提出了一种粒子仿真方法中四面体网格自适应加密策略，该策略只需要在背景网格内进行加密，其单个网格的加密过程不对相邻网格产生影响，大大降低了网格的生成难度，同时采用基于原有背景网格加局部距离的粒子搜索技术，克服了该加密策略中粒子搜索的技术难点，降低了粒子搜索的难度，设计的基于自适应网格技术的三维DSMC并行算法，有效降低了DSMC方法中网格生成的人工干预，大大提高了DSMC的模拟精度与效率。附图说明：图1：模拟初始的背景网格；图2：自适应后的计算网格；图3：自适应网格的计算结果；具体实施方式本专利技术提供了基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法。具体实施步骤为：(1)采用直接模拟蒙特卡罗方法对飞行器流场计算域进行背景网格的划分(背景网格尺寸为远场来流自由程的1-3倍，所述的背景网格为第一次开始计算时所采用的网格，每个网格单元内的粒子数量20-30个)，并进行并行流场计算，获得流场分布参数；流场计算域为飞行器流场计算所需要的空间网格区域。(2)任一一个并行节点根据流场分布参数对每一个网格单元(所述网格单元为上一时刻计算时采用的网格单元)进行如下处理：计算该网格单元的特征尺度与该网格单元局部自由程的比值R，根据该比值R确定该网格单元需要抛分的个数N值，其中当2≤R＜4，时N＝2；4≤R＜8，时N＝4；R＞8，时N＝8；R＜2，时N＝0，当前网格不能进行抛分，此处将当前网格单元抛分成N个新的网格单元，新网格单元的形状与原网格单元的形状一致，同时判断每个新的网格单元中的粒子个数是否不少于5个，若满足，则当前网格单元能够进行抛分，抛分的个数记为N，否则，当前背景网格单元不能够进行抛分，将能够进行抛分的网格单元及其抛分个数采用数组进行标记并进行全局广播；(3)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用直接模拟蒙特卡罗方法对飞行器流场计算域进行背景网格的划分，并进行并行流场计算，获得流场分布参数；(2)任一一个并行节点根据流场分布参数对每一个网格单元进行如下处理：计算该网格单元的特征尺度与该网格单元局部自由程的比值R，根据该比值R确定该网格单元需要抛分的个数以及能否进行抛分，将能够进行抛分的网格单元及其抛分个数进行标记并进行全局广播；(3)其它并行节点接收全局广播的标记信息，所有节点都根据标记信息进行对应网格单元的抛分，并确定原网格单元中粒子与抛分后的网格单元的归属，完成一次自适应处理；(4)对步骤(3)处理后的网格单元继续进行全流场的并行计算，判断流场自适应处理次数是否达到预定值，未达到预定值，返回(2)继续处理，若达到预定值，则继续并行计算直至仿真模拟结束，从而得到飞行器气动特性规律。

【技术特征摘要】
1.基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)采用直接模拟蒙特卡罗方法对飞行器流场计算域进行背景网格的划分，并进行并行流场计算，获得流场分布参数；(2)任一一个并行节点根据流场分布参数对每一个网格单元进行如下处理：计算该网格单元的特征尺度与该网格单元局部自由程的比值R，根据该比值R确定该网格单元需要抛分的个数以及能否进行抛分，将能够进行抛分的网格单元及其抛分个数进行标记并进行全局广播；(3)其它并行节点接收全局广播的标记信息，所有节点都根据标记信息进行对应网格单元的抛分，并确定原网格单元中粒子与抛分后的网格单元的归属，完成一次自适应处理；(4)对步骤(3)处理后的网格单元继续进行全流场的并行计算，判断流场自适应处理次数是否达到预定值，未达到预定值，返回(2)继续处理，若达到预定值，则继续并行计算直至仿真模拟结束，从而得到飞行器气动特性规律。2.根据权利要求1所述的基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法，其特征在于：背景网格尺寸为远场来流自由程的1-3倍。3.根据权利要求1所述的基于任意抛分网格下粒子搜索技术的飞行器气动特性确定方法，其特征在于：根据该比值R确定该网格单元需要抛分的个数以及能否进行抛分具体通过下述方式实现：首先，根据R值确定抛分个数N的值；当2≤R＜4，时N＝2；4≤R＜8，时N＝4；R＞8，时N＝8；R＜2，时N＝0，当前网格不能进行抛分；然后将当前网格单元抛分成N个新的网格单元，新网格单元的形状与原网格单元的形状一致；最后，判断每个新的网格单元中的粒子个数是否不少于5个，若满足，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄飞，靳旭红，韩国玺，程晓丽，俞继军，
申请(专利权)人：中国航天空气动力技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11