一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法技术

本发明专利技术公开了一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，针对现有飞行器动态气动特性数值模拟方法中存在大量无效计算的问题，采用非定常、对流、粘性三类动态计算域，提出仅对未收敛非定常单元求解、仅在局部区域考虑粘性效应的求解思路。非定常动态计算域仅包含每一物理时刻上非定常效应起主导作用的网格单元，对流动态计算域仅包含每一迭代步中受到扰动且求解尚未收敛的网格单元，粘性动态计算域仅包含对流动态计算域中粘性效应起主导作用的网格单元，三类动态计算域会在每个迭代步自适应更新。通过避免非定常数值模拟中的无效计算并降低内迭代达到收敛态所需的迭代步数，本发明专利技术可显著提高飞行器动态气动特性数值模拟的计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法
本专利技术涉及计算流体力学
，尤其涉及一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法。
技术介绍
动态气动特性是飞行器设计的关键性能参数。得益于计算机硬件性能的飞速发展，非定常流动数值模拟已广泛应用于各类飞行器的动态气动特性预测中。然而，由于流动问题复杂导致计算量大、数值模拟方法求解效率低等问题，飞行器动态气动特性的数值模拟仍需耗费大量计算资源和超长求解周期，存在数值模拟计算效率难以满足飞行器气动设计日益增长的实际应用需求的问题。因此，提出适用于飞行器动态气动特性预测的高效数值模拟技术一直是计算流体力学的研究热点。当前，迭代推进方法是飞行器动态气动特性数值模拟的主流方法之一，例如基于二阶后向差分的双时间步法。该方法通过在飞行器动态气动特性数值模拟的时间推进求解中引入内迭代，既可保证飞行器动态气动特性的数值模拟精度，又可将成熟的飞行器静态气动特性数值模拟方法推广至动态气动特性的数值模拟中。目前，适用于迭代推进类飞行器动态气动特性数值模拟的加速技术主要通过迭代格式隐式化、空间并行化和网格生成合理化三种途径实现。迭代格式隐式化可打破迭代步长的稳定性条件限制，通过大幅增大迭代步长减少内迭代所需的步数。空间并行化是通过将飞行器流场网格划分为多个网格块，即将计算任务分解成多个子任务并行处理，从而可降低串行处理的计算量。网格生成合理化则是通过合理控制飞行器流场网格的疏密度，从而在保证空间精度的同时可通过减小网格量来降低计算量。上述技术从离散格式、求解算法、网格等方面实现了飞行器动态气动特性数值模拟的加速，但在每一个物理时刻、每个迭代步中却在飞行器流场网格的静态计算域中对所有网格单元进行全局更新求解。这种更新方式存在两点弊端：一方面，飞行器流场网格的静态计算域对动态气动特性数值模拟的精度与效率至关重要，但其选取却完全依赖于经验，所选计算域不足会导致求解失败，所选计算域过大又浪费计算资源；另一方面，在飞行器流场网格的静态计算域中数值模拟无法利用求解中所需求解范围随流动演化与求解收敛不断变化的特点，会造成大量无效计算，甚至引入更多数值误差。因此，若能消除现有迭代推进类飞行器动态气动特性数值模拟方法中因采用飞行器流场网格的静态计算域模拟所造成的无效计算，必将显著降低飞行器动态气动特性数值模拟所需的计算量，从而提高飞行器动态气动特性数值模拟的计算效率，有效解决数值模拟计算效率难以满足飞行器气动设计日益增长的实际应用需求的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，用以解决现有飞行器动态气动特性数值模拟方法中存在大量无效计算的问题。本专利技术提供的一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，包括如下步骤：S1：读入数据，包括飞行器流场的网格、预设计算域、边界条件和计算设置；S2：根据来流条件或根据给定流场，对所述预设计算域中的流场进行初始化；S3：根据流场初始化方式，建立非定常动态计算域、对流动态计算域和粘性动态计算域；S4：将求解所需存储的数据分为两类；第一类数据是单元的固有信息，采用静态数据结构存储所述预设计算域中所有网格单元的信息，包括网格坐标以及当前时刻和上两个时刻的流场变量；第二类数据是与求解更新相关的信息，采用动态数据结构仅存储所述对流动态计算域内网格单元的信息，包括守恒量更新量和当地迭代步长；S5：根据边界条件类型，为边界虚网格的守恒量赋值；S6：将流动控制方程的残差项分为无粘项与粘性项两类；其中，所述无粘项包括对流通量和迭代推进法的源项，所述无粘项在对流动态计算域中计算；所述粘性项包括粘性通量和湍流模型方程源项，所述粘性项在粘性动态计算域中计算；S7：在所述对流动态计算域中，求解守恒量更新量，更新当前时刻的流场变量；S8：对所述对流动态计算域的所有边界单元逐个判断是否已受到无粘扰动；若是，则执行步骤S9；若否，则返回步骤S8，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述对流动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S10；S9：衡量无粘扰动的传播方向，并将该边界单元的紧邻单元中位于传播方向上的单元分别纳入所述对流动态计算域和所述非定常动态计算域，返回步骤S8，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；S10：判断所述非定常动态计算域是否有所增大；若是，则执行步骤S11和步骤S12；若否，则执行步骤S12；S11：根据所述非定常动态计算域，重新分配所述第二类数据的存储空间；S12：对所述对流动态计算域的所有边界单元逐个判断是否同时满足已收敛、位于可压缩流动中、位于最上游以及不再受所述对流动态计算域中其他单元的影响四个条件；若是，则执行步骤S13；若否，则返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述对流动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S15；S13：将该边界单元从所述对流动态计算域中移除，并判断该边界单元是否存在于所述粘性动态计算域中；若是，则执行步骤S14；若否，则返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；S14：将该边界单元从所述粘性动态计算域中移除，返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；S15：对所述粘性动态计算域的所有边界单元逐个判断是否受粘性效应主导；若是，则执行步骤S16；若否，则返回步骤S15，对所述粘性动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述粘性动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S17；S16：将该边界单元的紧邻单元中位于所述对流动态计算域中的单元纳入所述粘性动态计算域，返回步骤S15，对所述粘性动态计算域的下一边界单元进行判断；S17：判断内迭代是否达到收敛条件；若是，则执行步骤S18；若否，则返回步骤S5，进入内迭代下一迭代步的计算，重复执行步骤S5～S17；S18：利用物理时间导数衡量非定常效应的影响，对所述非定常动态计算域的所有边界单元逐个判断是否不再受非定常效应主导；若是，则执行步骤S19；若否，则返回步骤S18，对所述非定常动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述非定常动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S20；S19：将该边界单元从所述非定常动态计算域中移除，返回步骤S18，对所述非定常动态计算域的下一边界单元进行判断；S20：判断所述非定常动态计算域是否有所缩小；若是，则执行步骤S21和步骤S22；若否，则执行步骤S22；S21：根据所述非定常动态计算域，重新分配所述第二类数据的存储空间；S22：更新上两个时刻的流场变量，将所述对流动态计算域重置为所述非定常动态计算域的范围，将所述粘性动态计算域重置为所述对流动态计算域中粘性效应起主导作用的区域；S23：判断是否达到指定的末态物理时刻；若是，则执行步骤S24；若否，则返回步骤S5，进入下一物理时刻的计算，重复执行步骤S5～S23；S24：输出结果。...

【技术保护点】
1.一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：读入数据，包括飞行器流场的网格、预设计算域、边界条件和计算设置；/nS2：根据来流条件或根据给定流场，对所述预设计算域中的流场进行初始化；/nS3：根据流场初始化方式，建立非定常动态计算域、对流动态计算域和粘性动态计算域；/nS4：将求解所需存储的数据分为两类；第一类数据是单元的固有信息，采用静态数据结构存储所述预设计算域中所有网格单元的信息，包括网格坐标以及当前时刻和上两个时刻的流场变量；第二类数据是与求解更新相关的信息，采用动态数据结构仅存储所述对流动态计算域内网格单元的信息，包括守恒量更新量和当地迭代步长；/nS5：根据边界条件类型，为边界虚网格的守恒量赋值；/nS6：将流动控制方程的残差项分为无粘项与粘性项两类；其中，所述无粘项包括对流通量和迭代推进法的源项，所述无粘项在对流动态计算域中计算；所述粘性项包括粘性通量和湍流模型方程源项，所述粘性项在粘性动态计算域中计算；/nS7：在所述对流动态计算域中，求解守恒量更新量，更新当前时刻的流场变量；/nS8：对所述对流动态计算域的所有边界单元逐个判断是否已受到无粘扰动；若是，则执行步骤S9；若否，则返回步骤S8，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述对流动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S10；/nS9：衡量无粘扰动的传播方向，并将该边界单元的紧邻单元中位于传播方向上的单元分别纳入所述对流动态计算域和所述非定常动态计算域，返回步骤S8，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；/nS10：判断所述非定常动态计算域是否有所增大；若是，则执行步骤S11和步骤S12；若否，则执行步骤S12；/nS11：根据所述非定常动态计算域，重新分配所述第二类数据的存储空间；/nS12：对所述对流动态计算域的所有边界单元逐个判断是否同时满足已收敛、位于可压缩流动中、位于最上游以及不再受所述对流动态计算域中其他单元的影响四个条件；若是，则执行步骤S13；若否，则返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述对流动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S15；/nS13：将该边界单元从所述对流动态计算域中移除，并判断该边界单元是否存在于所述粘性动态计算域中；若是，则执行步骤S14；若否，则返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；/nS14：将该边界单元从所述粘性动态计算域中移除，返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；/nS15：对所述粘性动态计算域的所有边界单元逐个判断是否受粘性效应主导；若是，则执行步骤S16；若否，则返回步骤S15，对所述粘性动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述粘性动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S17；/nS16：将该边界单元的紧邻单元中位于所述对流动态计算域中的单元纳入所述粘性动态计算域，返回步骤S15，对所述粘性动态计算域的下一边界单元进行判断；/nS17：判断内迭代是否达到收敛条件；若是，则执行步骤S18；若否，则返回步骤S5，进入内迭代下一迭代步的计算，重复执行步骤S5～S17；/nS18：利用物理时间导数衡量非定常效应的影响，对所述非定常动态计算域的所有边界单元逐个判断是否不再受非定常效应主导；若是，则执行步骤S19；若否，则返回步骤S18，对所述非定常动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述非定常动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S20；/nS19：将该边界单元从所述非定常动态计算域中移除，返回步骤S18，对所述非定常动态计算域的下一边界单元进行判断；/nS20：判断所述非定常动态计算域是否有所缩小；若是，则执行步骤S21和步骤S22；若否，则执行步骤S22；/nS21：根据所述非定常动态计算域，重新分配所述第二类数据的存储空间；/nS22：更新上两个时刻的流场变量，将所述对流动态计算域重置为所述非定常动态计算域的范围，将所述粘性动态计算域重置为所述对流动态计算域中粘性效应起主导作用的区域；/nS23：判断是否达到指定的末态物理时刻；若是，则执行步骤S24；若否，则返回步骤S5，进入下一物理时刻的计算，重复执行步骤S5～S23；/nS24：输出结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：读入数据，包括飞行器流场的网格、预设计算域、边界条件和计算设置；
S2：根据来流条件或根据给定流场，对所述预设计算域中的流场进行初始化；
S3：根据流场初始化方式，建立非定常动态计算域、对流动态计算域和粘性动态计算域；
S4：将求解所需存储的数据分为两类；第一类数据是单元的固有信息，采用静态数据结构存储所述预设计算域中所有网格单元的信息，包括网格坐标以及当前时刻和上两个时刻的流场变量；第二类数据是与求解更新相关的信息，采用动态数据结构仅存储所述对流动态计算域内网格单元的信息，包括守恒量更新量和当地迭代步长；
S5：根据边界条件类型，为边界虚网格的守恒量赋值；
S6：将流动控制方程的残差项分为无粘项与粘性项两类；其中，所述无粘项包括对流通量和迭代推进法的源项，所述无粘项在对流动态计算域中计算；所述粘性项包括粘性通量和湍流模型方程源项，所述粘性项在粘性动态计算域中计算；
S7：在所述对流动态计算域中，求解守恒量更新量，更新当前时刻的流场变量；
S8：对所述对流动态计算域的所有边界单元逐个判断是否已受到无粘扰动；若是，则执行步骤S9；若否，则返回步骤S8，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述对流动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S10；
S9：衡量无粘扰动的传播方向，并将该边界单元的紧邻单元中位于传播方向上的单元分别纳入所述对流动态计算域和所述非定常动态计算域，返回步骤S8，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；
S10：判断所述非定常动态计算域是否有所增大；若是，则执行步骤S11和步骤S12；若否，则执行步骤S12；
S11：根据所述非定常动态计算域，重新分配所述第二类数据的存储空间；
S12：对所述对流动态计算域的所有边界单元逐个判断是否同时满足已收敛、位于可压缩流动中、位于最上游以及不再受所述对流动态计算域中其他单元的影响四个条件；若是，则执行步骤S13；若否，则返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述对流动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S15；
S13：将该边界单元从所述对流动态计算域中移除，并判断该边界单元是否存在于所述粘性动态计算域中；若是，则执行步骤S14；若否，则返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；
S14：将该边界单元从所述粘性动态计算域中移除，返回步骤S12，对所述对流动态计算域的下一边界单元进行判断；
S15：对所述粘性动态计算域的所有边界单元逐个判断是否受粘性效应主导；若是，则执行步骤S16；若否，则返回步骤S15，对所述粘性动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述粘性动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S17；
S16：将该边界单元的紧邻单元中位于所述对流动态计算域中的单元纳入所述粘性动态计算域，返回步骤S15，对所述粘性动态计算域的下一边界单元进行判断；
S17：判断内迭代是否达到收敛条件；若是，则执行步骤S18；若否，则返回步骤S5，进入内迭代下一迭代步的计算，重复执行步骤S5～S17；
S18：利用物理时间导数衡量非定常效应的影响，对所述非定常动态计算域的所有边界单元逐个判断是否不再受非定常效应主导；若是，则执行步骤S19；若否，则返回步骤S18，对所述非定常动态计算域的下一边界单元进行判断；遍历所述非定常动态计算域的所有边界单元后，执行步骤S20；
S19：将该边界单元从所述非定常动态计算域中移除，返回步骤S18，对所述非定常动态计算域的下一边界单元进行判断；
S20：判断所述非定常动态计算域是否有所缩小；若是，则执行步骤S21和步骤S22；若否，则执行步骤S22；
S21：根据所述非定常动态计算域，重新分配所述第二类数据的存储空间；
S22：更新上两个时刻的流场变量，将所述对流动态计算域重置为所述非定常动态计算域的范围，将所述粘性动态计算域重置为所述对流动态计算域中粘性效应起主导作用的区域；
S23：判断是否达到指定的末态物理时刻；若是，则执行步骤S24；若否，则返回步骤S5，进入下一物理时刻的计算，重复执行步骤S5～S23；
S24：输出结果。


2.如权利要求1所述的飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，其特征在于，步骤S2，根据来流条件或根据给定流场，对所述预设计算域中的流场进行初始化，具体包括：
根据来流条件初始化，将所述预设计算域中所有网格单元的守恒量赋为来流值；
根据给定流场初始化，将所述预设计算域中所有网格单元的守恒量赋为给定流场值。


3.如权利要求1所述的飞行器动态气动特性模拟的迭代推进扰动域更新方法，其特征在于，步骤S3，根据流场初始化方式，建立非定常动态计算域、对流动态计算域和粘性动态计算域，具体包括：
根据来流条件初始化，非定常动态计算域和对流动态计算域取壁面的若干层相邻单元作为初始单元，粘性动态计算域取紧邻壁面的1层单元作为初始单元；
根据给定流场初始化，对流动态计算域的初始单元为给定流场中流动特性与来流条件不符的已受扰单元，满足：
||W-W∞||/||ΔW(1)||max＞εa，c(1)
其中，W表示守恒量；W∞表示来流条件的守恒量；||ΔW(1)||max表示对流动态计算域所有单元的守恒量更新量在第1物理时刻的第1迭代步的最大值；εa，c表示对流新增阈值，取10-4≤εa，c≤10-6；非定常动态计算域的初始单元与对流动态计算域的初始单元一致；粘性动态计算域的初始单元为对流动态计算域中的粘性效应主导单元，满足：






其中，Ψ表示粘性效应衡量...

【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