飞行器定常粘性可压缩绕流的分区扰动域更新计算方法技术

本发明专利技术公开一种飞行器定常粘性可压缩绕流的分区扰动域更新计算方法，属于计算流体力学领域。本发明专利技术包括文件读入；流场初始化；初始对流动态域和初始粘性动态域建立；分配存储空间；根据边界条件类型，为边界虚网格的守恒量赋值；残差估计；时间积分；增大对流动态域；缩小对流、粘性动态域；重新分配存储空间；增大粘性动态域；重复前述步骤直至达到收敛条件；结果输出。本发明专利技术通过采用可自适应增大/缩小的对流动态域与粘性动态域，仅对求解尚未收敛的受扰单元求解，仅在部分受扰单元中考虑粘性效应，可有效减少单个迭代步的计算量和总迭代步数，从而提高求解飞行器定常粘性可压缩绕流的收敛速率。

【技术实现步骤摘要】
飞行器定常粘性可压缩绕流的分区扰动域更新计算方法
本专利技术属于计算流体力学领域，特别涉及一种适用于飞行器定常粘性可压缩绕流数值模拟的分区扰动域更新计算方法。
技术介绍
尽管计算机硬性性能的大幅提升已能实现对粘性流动控制方程N-S方程的求解，但采用分辨率足够的网格对真实飞行器外形的粘性绕流进行数值模拟仍十分耗时，难以满足流体力学、飞行器设计等学科的实际应用需求。当前计算流体力学中普遍采用时间推进法模拟飞行器的定常粘性可压缩绕流；该方法能够同时求解亚声速和超声速流动，适用于较大的马赫数、雷诺数范围。然而，粘性流动控制方程求解计算量大、粘性流动模拟网格量大、时间推进法迭代求解缓慢等因素都导致采用该方法直接求解完整的粘性流动控制方程N-S方程十分耗时，难以满足流体力学、飞行器设计等学科的实际应用需求。因此，针对飞行器定常粘性绕流的高效数值模拟技术一直是计算流体力学的研究热点。除与无粘流动模拟通用的加速技术外，现有粘性流动数值模拟所特有的加速技术原理主要包括简化数学模型与分区计算两大类。第一类方法是通过以更易求解的简化方程替代N-S方程作为流动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种飞行器定常粘性可压缩绕流的分区扰动域更新计算方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：读入文件；/n读入文件包括飞行器流场网格的预设计算域、网格坐标和边界条件，以及计算设置等；/nS2：根据来流条件初始化和根据给定流场初始化两种方式初始化飞行器绕流流场；/nS3：建立飞行器流场网格的初始对流动态域和初始粘性动态域；/n针对根据来流条件初始化的方式，初始对流动态域和初始粘性动态域均根据壁面边界建立；/n针对根据给定流场初始化的方式，初始对流动态域包含给定流场中所有流动特性与来流不符的单元，初始粘性动态域包含初始对流动态域中粘性效应主导单元；/nS4：分配存储空间；/n将求解所需存储的数据...

【技术特征摘要】
1.一种飞行器定常粘性可压缩绕流的分区扰动域更新计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：读入文件；
读入文件包括飞行器流场网格的预设计算域、网格坐标和边界条件，以及计算设置等；
S2：根据来流条件初始化和根据给定流场初始化两种方式初始化飞行器绕流流场；
S3：建立飞行器流场网格的初始对流动态域和初始粘性动态域；
针对根据来流条件初始化的方式，初始对流动态域和初始粘性动态域均根据壁面边界建立；
针对根据给定流场初始化的方式，初始对流动态域包含给定流场中所有流动特性与来流不符的单元，初始粘性动态域包含初始对流动态域中粘性效应主导单元；
S4：分配存储空间；
将求解所需存储的数据分为两类数据：第一类数据是单元的固有信息，包括网格坐标、流场变量，采用静态数据结构存储预设计算域中单元的所述第一类数据；第二类数据是与求解更新相关的信息，包括守恒量更新量、当地时间步长、求解上一步守恒量更新量，采用动态数据结构仅存储对流动态域中单元的所述第二类数据；
S5：根据边界条件类型，为边界虚网格的守恒量赋值；
S6：残差估计；
将流动控制方程的残差项分为无粘项与粘性项，在对流动态域中求解无粘项，在粘性动态域中求解粘性项；
S7：时间积分；
在对流动态域中，采用时间推进格式更新守恒量；
S8：采用新增单元操作增大对流动态域，具体通过如下2个子步骤实现对流动态域的增大：
S81：判断对流动态域边界单元是否已受到无粘扰动；
S82：若对流动态域边界单元已受无粘扰动，衡量无粘扰动的传播方向，将其会受影响的紧邻单元纳入对流动态域；
S9：采用删除单元操作缩小对流动态域和粘性动态域，具体通过如下4个判断条件实现对流动态域的缩小：
判断1：判断对流动态域边界单元是否已收敛；
判断2：判断对流动态域边界单元是否位于可压缩流动中；
判断3：判断对流动态域边界单元是否位于最上游；
判断4：判断对流动态域边界单元是否不再受对流动态域中其他单元的影响；
在对流动态域边界单元同时满足上述4个判断条件时，将该对流动态域边界单元从对流动态域中移除；在该对流动态域边界单元同时存在于粘性动态域中时，将该对流动态域边界单元一并从粘性动态域中移除；
S10：重新分配所述第二类数据的存储空间；
S11：采用新增单元操作增大粘性动态域，具体通过如下2个子步骤实现粘性动态域的增大：
S111：判断粘性动态域边界单元是否受粘性效应主导；
S112：若粘性动态域边界单元受粘性效应主导，则将其所有位于对流动态域中的紧邻单元纳入粘性动态域；
S12：重复步骤S5至S11，直至达到收敛条件；
所述收敛条件包括求解达到指定的最大迭代步数，或者残差或更新量小于给定的收敛阈值；
S13：输出结果。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，当根据来流条件初始化时，将飞行器流场网格中所有单元的守恒量赋为来流值；当根据给定流场初始化时，将飞行器流场网格中所有单元的守恒量赋为给定流场值。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3具体过程如下：
1)针对根据来流条件初始化的方式：
初始对流动态域包含壁面的若干层相邻单元，初始粘性动态域包含紧邻壁面的1层单元；
2)针对根据给定流场初始化的方式：
初始对流动态域中单元的流动特性满足
||W-W∞||/||ΔW(1)||max＞εa,c(1)
式中，W表示守恒量；下标∞表示来流条件；||ΔW(1)||max表示求解第1迭代步所有单元守恒量更新量的最大值；εa,c表示对流新增阈值，取10-4≤εa,c≤10-6；
初始粘性动态域包含初始对流动态域中的粘性效应主导单元，粘性效应的作用依据标准化粘性效应衡量参数确定，定义粘性效应衡量参数Ψ，令其表示粘性扰动与无粘扰动的质量流量之比，当以扰动速度的网格尺度加权值表示扰动速度时，粘性效应衡量参数Ψ表示为对流通量和粘性通量Jacobian矩阵的谱半径之比，即



式中，I,J,K表示网格方向；分别表示对流通量和粘性通量Jacobian矩阵沿i方向的谱半径，i＝I,J,K；
以紧邻壁面单元在求解第1迭代步的粘性效应衡量参数进行标准化，标准化粘性效应衡量参数表示为



式中，下标max、min分别表示最大值和最小值；
粘性效应主导单元的标准化粘性效应衡量参数处于较大量级，故初始粘性动态域中的单元满足



式中，εa,v表示粘性新增阈值，取10-3≤εa,v≤10-2。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6具体过程如下：
半离散形式的流动控制方程表示为：



其中，W表示守恒量；t表示时间；F、Q分别表示通量与源项；|Ω|、Nf、ΔS分别表示网格单元的体积、单元面的面数与面积；下标c、v、T和axisy分别表示对流、粘性、湍流脉动场平均量和轴对称；式(5)中方程的右端项统称为控制方程的残差，将残差中的Fc、Fc,T和Qaxisy,c统称为无粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋崇文，胡姝瑶，高振勋，李椿萱，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11