一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法技术

本发明专利技术公开了提供一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法，该方法通过引入发动机喉道过渡流动参数，将动态边界条件切换的内迭代过程整体分成三个典型阶段，在单一物理时间步内实现动态边界条件切换过程喷管吼道流动参数平缓过渡，解决动态边界条件切换导致喷流时序控制模拟鲁棒性和计算效率难以平衡的问题。该方法可以实现任意时刻多个喷管喷流边界条件和固壁边界条件相互动态切换，该方法在单一时间步内实现了边界条件切换过程喷管吼道压强平缓过渡，减少了边界条件切换过程非定常数值模拟的真实时间步数，提高了数值模拟的效率，同时数值模拟的鲁棒性得到了保证。

【技术实现步骤摘要】
一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法
本专利技术涉及数值模拟
，具体涉及到用于喷流时序控制模拟的动态边界条件高效稳定切换方法。
技术介绍
当前喷流控制数值模拟主要为稳态的喷流流场数值模拟，模拟求解过程发动机喷口或者喷管吼道处的数值边界条件始终设置为喷流边界条件，不涉及边界条件切换的问题。虽然瞬态喷流数值模拟求解过程发动机驻室压强随时间变化，但数值边界条件也始终为喷流边界条件，边界条件类型没有发生变化。只要瞬态喷流数值模拟的物理时间步长设置足够小，就能够较精确捕获瞬态非定常物理过程。但对于多个发动机时序控制的非稳态喷流控制模拟，数值模拟周期长，模拟过程更关注喷流对飞行器的控制效果，因此不宜采用计算代价昂贵的物理时间步长设置。但物理时间步长过大会导致动态边界条件切换时喷管喉道处的流动参数陡变进而导致数值模拟崩溃。因此为了克服喷流时序控制数值模拟鲁棒性和计算效率难以平衡的问题，需要探索一种高效鲁棒的喷流动态边界条件切换方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法，该方法通过引入发动机喉道过渡流动参数，将动态边界条件切换的内迭代过程整体分成三个典型阶段，在单一物理时间步内实现动态边界条件切换过程喷管吼道流动参数平缓过渡，解决动态边界条件切换导致喷流时序控制模拟鲁棒性和计算效率难以平衡的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法，包括以下步骤：步骤一：给定喷流控制的飞行器，开展喷流关闭状态飞行器典型状态的定常气动力计算，通过求解定常计算流体力学方程，得到喷流关闭时飞行器喷管喉道处的流动参数(压强和温度等)。后续主要以压强这一流动参数举例，其它流动参数可通过状态方程求得。步骤二：将喷流关闭状态下飞行器喷管喉道处的流动参数采用指数逼近法进行曲线拟合，得到随攻角变化的喷流关闭飞行器喷管喉道压强P0(α)，α为攻角。步骤三：确定动态边界条件切换时刻飞行器的当地攻角。设Δt为单位时间步长，n_unst为边界条件动态切换时刻的上一个时间步。则边界条件动态切换的上一时刻tn-unst＝n_unst*Δt。设tn_unst+1时刻为边界条件动态切换时刻，tn_unst+1受喷流控制的飞行器俯仰姿态角pitch(tn_unst+1)由tn_unst时刻流体力学和刚体动力学耦合求解，若计算来流攻角为α0，则tn_unst+1时刻飞行器的当地攻角αlocal(tn_unst+1)为：αlocal(tn_unst+1)＝pitch(tn_unst+1)+α0。步骤四：确定发动机喉道过渡流动参数。定义边界条件动态切换时刻喷流关闭飞行器在当地攻角αlocal(tn_unst+1)下的喷管喉道压强P0(αlocal(tn_unst+1))为过渡压强ps：ps＝P0(αlocal(tn_unst+1))＝P0(pitch(tn_unst+1)+α0)。步骤五：确定动态边界条件切换类型，tn_unst时刻喷管喉道处的压强为P(tn_unst)：若tn_unst时刻喷管喉道处为喷流边界条件，即喷流打开状态，P(tn_unst)由喷流控制输入给定，tn_unst+1时刻的动态边界条件切换类型为：喷流边界条件切换为固壁边界条件；若tn_unst时刻喷管喉道处为固壁边界条件，即喷流关闭状态，P(tn_unst)由计算流体力学迭代求解给出，tn_unst+1时刻的动态边界条件切换类型为：固壁边界条件切换为喷流边界条件。其中P(tn_unst)为tn_unst时刻喷管喉道处的压强。步骤六：划分单一时间步动态边界条件切换过程内迭代阶段，n_transition为tn_unst+1时刻单步内迭代过渡步数，n_switch为tn_unst+1时刻单步内迭代切换步数，n_convergence为tn_unst+1时刻单步内迭代收敛稳定步数，n_current为tn_unst+1时刻单步内当前迭代步数，n_step为内迭代总步数，则nstep＝ntransition+nswitch+n_convergence，pg(tn_unst+1，n_current)是tn_unst+1时刻当前迭代步数n_current喷管喉道处附面层第一层网格单元的压强值，该值通过流体力学方程组迭代求解。在过渡阶段(当前迭代步数n_current＜n_transition)，tn_unst+1时刻当前迭代步数n_current喷管吼道处的压强P(tn_unst+1，n_current)按照动态边界条件切换类型分为两种情况求解：A.动态边界条件切换类型为：喷流边界条件切换为固壁边界条件：B.动态边界条件切换类型为：喷流边界条件切换为固壁边界条件P(tn_unst+1，n_current)＝ps。在切换阶段(nstep-n_current＞n_current＞n_transition)，tn_unst+1时刻当前迭代步数n_current喷管吼道处的压强P(tn_unst+1，n_current)同样分为两种情况：A.动态边界条件切换类型为：喷流边界条件切换为固壁边界条件：P(tn_unst+1，n_current)＝pg(tn_unst+1，n_current)B.动态边界条件切换类型为：喷流边界条件切换为固壁边界条件：切换完成后(n_step＞n_current＞n_transition+n_switch)，保持喷管喉道处切换后的边界条件，流体力学方程组内迭代求解n_convergence次，当n_current＝n_step时，得到tn_unst+1时刻单个时间步的喷流流场数值模拟的收敛解，保证边界条件切换后数值模拟的准确性。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：该方法可以实现任意时刻多个喷管喷流边界条件和固壁边界条件相互动态切换，该方法在单一时间步内实现了边界条件切换过程喷管吼道压强平缓过渡，减少了边界条件切换过程非定常数值模拟的真实时间步数，提高了数值模拟的效率，同时数值模拟的鲁棒性得到了保证。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本专利技术流程图；图2是切换时刻内迭代详细流程图；图3a、图3b是飞行器外形图；图4(a)飞行器轴向位移随时间变化图；图4(b)飞行器法向位移随时间变化图；图4(c)飞行器俯仰姿态角随时间变化图；图中：1是一号发动机喷管喉道，2是序号为的二号发动机喷管喉道，3是三号发动机喷管喉道。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法，其特征在于：/nS1：给定喷流控制的飞行器，开展喷流关闭状态飞行器典型状态的定常气动力计算，通过求解定常计算流体力学方程，得到喷流关闭时飞行器喷管喉道处的流动参数，参数包括压强；/nS2：将喷流关闭状态下飞行器喷管喉道处的流动参数采用指数逼近法进行曲线拟合，得到随攻角变化的喷流关闭飞行器喷管喉道压强P

【技术特征摘要】
1.一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法，其特征在于：
S1：给定喷流控制的飞行器，开展喷流关闭状态飞行器典型状态的定常气动力计算，通过求解定常计算流体力学方程，得到喷流关闭时飞行器喷管喉道处的流动参数，参数包括压强；
S2：将喷流关闭状态下飞行器喷管喉道处的流动参数采用指数逼近法进行曲线拟合，得到随攻角变化的喷流关闭飞行器喷管喉道压强P0(α)，α为攻角；
S3：确定动态边界条件切换时刻飞行器的当地攻角，
αlocal(tn_unst+1)＝pitch(tn_unst+1)+α0
其中：tn_unst为边界条件动态切换时刻的上一个时刻，n_unst为边界条件动态切换时刻的上一个时间步，tn_unst+1为边界条件动态切换时刻，pitch(tn_unst+1)为边界条件动态切换时刻受喷流控制的飞行器俯仰姿态角，α0为来流攻角；
S4：确定发动机喉道过渡流动参数，
ps＝P0(αlocal(tn_unst+1))＝P0(pitch(tn_unst+1)+α0)
其中：P0(αlocal(tn_unst+1))、P0(pitch(tn_unst+1)+α0)为边界条件动态切换时刻喷流关闭飞行器在当地攻角时的喷管吼道压强，ps为过渡压强；
S5：确定动态边界条件切换类型，
若tn_unst时喷管吼道处为打开状态，则tn_unst+1时刻动态边界条件的切换类型为：喷流边界条件切换为固壁边界条件，
若tn_unst时喷管吼道处为为关闭状态，则时刻动态边界条件切换类型为：固壁边界条件切换为喷流边界条件；
S6：划分单一时间步动态边界条件切换过程内迭代阶段，内迭代总步数为边界条件动态切换时刻单步内迭代过渡步数、单步内迭代切换步数、单步内迭代收敛稳定步数之和，切换过程具有两种切换类型：喷流边界条件切换为固壁边界条件和喷流边界条件切换为固壁边界条件。


2.根据权利要求1所述的一种用于喷流时序控制模拟的动态边界条件切换方法，其特征在于在所述S6中，包括过渡阶段、切换阶段和切换完成阶段，
所述过渡阶段为当前迭代步数小于单步内迭代过渡步数，
所述切换阶段为当前迭代步数...

【专利技术属性】
技术研发人员：李欢，贾洪印，吴晓军，周桂宇，张培红，崔鹏程，张耀冰，李彬，唐静，陈江涛，张健，龚小权，章超，赵炜，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51