一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法技术

一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，属于力学仿真领域，其特征在于：通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现了局部变形/舵面操纵的流固耦合与飞行力学一体化仿真技术；实现了高保真离散；具有高精度的计算；实现了网格局部的大变形；可以考虑飞行/航行中的非线性流动特性；N‑S方程充分描述大迎角、钝体等产生非定常、非线性流动现象；可以充分考虑结构变形的非线性因素；结构力学模块可以根据计算需求，来考虑相关非线性因素的作用。

A processing method of fluid structure coupling and flight mechanics simulation

【技术实现步骤摘要】
一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法
本专利技术属于力学仿真领域，尤其涉及一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法。
技术介绍
飞机、导弹在起降、发射及飞行过程中，舵面操作与飞行姿态之间构成了闭环反馈控制；鱼雷在航行过程中，舵面操作与航行姿态之间构成了闭环反馈控制。上述局部刚体运动对整体的飞行姿态、航行姿态有了相应的影响，属于流固耦合与飞行(航行)力学的交叉学科。其仿真则需要一体化仿真技术。如考虑局部流动控制的弹性变形如飞机机翼上用于增升减阻的鼓包膨胀与回缩、鱼雷训练与校验中的利用头部气囊膨胀回收操雷等实际问题，则在流固耦合问题中，还需要考虑结构的局部变形对流场的影响。上述问题的数值模拟工作，则需要基于考虑弹性变形的流固耦合与飞行(航行)力学的一体化仿真技术来开展。目前，国内外的数值仿真工作可以分为考虑刚体六自由度的一体化仿真和考虑弹性变形的一体化仿真两种。到目前为止，公开发表的文献中，考虑刚体六自由度的流固耦合与飞行(航行)力学一体化仿真技术，包括了以嵌套网格为代表的刚体嵌套运动方式，以及以棱柱层/四面体混合网格为代表的物体(包括棱柱层网格)的整体运动方式，以及以物体周围用六面体网格、外场用四面体网格、两者之间用金字塔网格过渡，并且物体与六面体/金字塔网格整体运动的实现方式。周围网格以网格动态层的增减或者四面体网格的重构来描述运动的影响。而考虑局部变形的流固耦合与飞行(航行)力学的一体化仿真技术，目前尚未查到公开报道的文献。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现流固耦合与飞行力学仿真。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，包括如下步骤：网格变形：首先根据飞行物几何模型生成网格；通过局部流固耦合变形、舵面操纵进行网格变形计算；网格整体运动：包括飞行物所生成网格的整体运动，以及随之进行的网格变形、重构计算，从而实现刚体运动条件下的网格整体运动；气动力计算：通过求解三维N-S方程来模拟得到流固耦合与飞行条件下的流场，进而得到作用于整个飞行物的三分力和三分力矩；根据气动力计算结果，分别通过飞行力学方程求解与结构力学方程求解进行运动计算与变形计算；对运动计算与变形计算结果判断分析是否满足仿真结束条件；满足，则停止计算；不满足，则将运动计算结果反馈至网格整体运动；将变形计算结果反馈至局部气动弹性变形；返回网格变形，迭代计算。通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合问题，分解为网格变形和网格整体运动。从而实现了运动与变形的分步计算。进而利用六面体/金字塔/四面体混合网格，实现了无插值误差的参数传递，实现了高保真离散和高精度计算。通过求解N-S方程计算得到了飞行(航行)运动及变形过程产生的流体作用力，并将流体作用力分别作为飞行力学计算和结构力学计算的输入参数，实现了运动的计算和变形的计算，并将运动和变形结果作为下一时间步的迭代计算的输入参数，实现整个一体化仿真的迭代计算。充分考虑了物体飞行(航行)力学的运动计算和流固耦合的局部变形/舵面操纵计算，从而实现了真实飞行(航行)过程中同时存在的运动和局部变形/舵面操纵的计算。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述生成网格的方式包括：飞行物周围的网格为采用完全结构化六面体网格转换得到的非结构网格；在物体外场区域，采用四面体网格进行离散；在六面体网格和四面体网格之间采用金字塔网格进行过渡。对飞行物周围采用完全六面体网格进行离散，从而实现型面的高保真离散，避免了三棱柱/四面体混合网格对型面离散的精度误差；进而以数据在不同几何形状的网格之间直接传递方式进行高精度计算，避免了笛卡尔网格以及嵌套网格在数据插值计算中引起的误差。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述仿真结束条件包括：仿真推进的总时间、局部变形达到阀值、操纵面运动的广义位置达到阀值或者刚体运动的广义位移达到阀值。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述所述流固耦合与飞行条件下的流场通过用数值方法求解以湍流模型封闭的三维N-S方程计算得到。N-S方程计算得到的飞行(航行)运动及变形过程产生的流体作用力，可以充分考虑飞行(航行)过程中的非线性流体作用力，并且该方法可以实现网格的大变形计算。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述湍流模型包括SST(ShearStressTransport)k-ω湍流模型，RSM(Reynolds-StressModel)湍流模型，DES(DetachedEddySimulation)湍流模型，LES(LargeEddySimulation)湍流模型。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述三维N-S方程如下：所述RSM湍流模型，其输运方程如下：根据方程(1)和方程(2)，可以确定密度ρ，沿x、y、z三个方向的速度分量u1、u2、u3，压强p，以及6个雷诺应力即三个正应力和三个切应力本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述局部变形、舵面操纵采用对整体计算域开展动网格计算来实现。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，动网格采用包括弹簧理论或变形扩散理论或无限插值理论或者弹性体理论的方法进行计算。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述重构计算根据飞行(航行)力学计算得到的运动计算结果，以飞行物周围网格整体来进行刚体运动，并对周围网格进行相应的拉伸、挤压调整。本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，具有以下技术效果：(1)实现了局部变形/舵面操纵的流固耦合与飞行力学一体化仿真技术；(2)实现了高保真离散；在飞行器/航行器周围采用完全结构化六面体网格转换得到的非结构网格来计算物体周围的流场，实现了对物体型面的高保真离散(这种保真精度远高于三棱柱/四面体混合网格的保真精度)；(3)具有高精度的计算；在飞行器/航行器周围的六面体区域尺寸可以设置为物体特征尺寸的数倍，很好的发挥了六面体网格高精度计算的优势，并且这种六面体、金字塔、四面体网格组成不会因为诸如笛卡尔网格、嵌套网格等产生的插值误差；(4)实现了网格局部的大变形。(5)可以考虑飞行/航行中的非线性流动特性；N-S方程充分描述大迎角、钝体等产生非定常、非线性流动现象；(6)可以充分考虑结构变形的非线性因素；结构力学模块可以根据计算需求，来考虑相关非线性因素的作用。附图说明图1为本专利技术所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法流程示意图；图2为本专利技术实施例二所述水下航行器简化模型的几何模型图；图3为本专利技术实施例二所述水下航行器简化模型的网格剖视图；图4为本专利技术实施例二所述水下航行器的气囊在膨胀初始时刻的表面网格图；图5为本专利技术实施例二所述水下航行器的气囊在膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；图6为本专利技术实施例二所述水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；图7为本专利技术实施例二所述水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；图8为本专利技术实施例二所述水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；图9为对应于图4所述的水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现流固耦合与飞行力学仿真。

【技术特征摘要】
1.一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现流固耦合与飞行力学仿真。2.根据权利要求1所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：网格变形：首先根据飞行物几何模型生成网格；通过局部流固耦合变形、舵面操纵进行网格变形计算；网格整体运动：包括飞行物所生成网格的整体运动，以及随之进行的网格变形、重构计算，从而实现刚体运动条件下的网格整体运动；气动力计算：通过求解三维N-S方程来模拟得到流固耦合与飞行条件下的流场，进而得到作用于整个飞行物的三分力和三分力矩；根据气动力计算结果，分别通过飞行力学方程求解与结构力学方程求解进行运动计算与变形计算；对运动计算与变形计算结果判断分析是否满足仿真结束条件；满足，则停止计算；不满足，则将运动计算结果反馈至网格整体运动；将变形计算结果反馈至局部气动弹性变形；返回网格变形，迭代计算。3.根据权利要求2所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：所述生成网格的方式包括：飞行物周围的网格为采用完全结构化六面体网格转换得到的非结构网格；在物体外场区域，采用四面体网格进行离散；在六面体网格和四面体网格之间采用金字塔网格进行过渡。4.根据权利要求2或3所述流固耦合与飞行力...

【专利技术属性】
技术研发人员：党会学，赵均海，杨瑞鹏，党会博，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61