一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法，属于流体力学中的边界层转捩预测技术领域。本发明专利技术方法，首先对网格进行了预处理，所有获取边界层信息的计算均在w(i,j)数组中完成，由于w(i,j)数组表征壁面网格单元的i彼此独立，因此可进行大规模并行计算，适用于现代的CFD计算方法。采用循环盒子法寻找最近壁面距离，在此基础上完成对网格的重排序，具有较高计算效率。由于w(i,j)数组基本沿着壁面法向方向，且进行了壁面距离修正、边界外缘以及边界层非当地变量参数修正，所获结果具有较高精度。所获结果具有较高精度。所获结果具有较高精度。

【技术实现步骤摘要】
一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法，属于流体力学中的边界层转捩预测


技术介绍

[0002]长期以来，边界层转捩作为流体力学领域的一个前沿和难点问题，受到了广泛而持续的关注。尽管关于边界层转捩的基础理论和发生机理仍在研究发展中，但其在工程实践中的重要性已经日益突出。例如，在航空航天工程领域中，转捩的发生位置和发展过程对飞行器的升阻特性、边界层分离以及表面气动加热等具有显著的影响，因此，边界层转捩的准确预测，对于航空航天飞行器气动外形、控制系统等设计具有非常重要的意义。
[0003]边界层转捩表征了流体从简单的分层稳定状态到复杂的混沌湍流状态的过渡，是十分重要却又极其复杂的流动问题。由于边界层转捩会显著影响飞行器以及叶轮机叶片的流动分离位置、壁面摩擦阻力、壁面热流交换、进气道流场品质、发动机燃料混合以及燃烧等，因此，研究有效的边界层转捩预测方法，对飞行器气动性能的准确预测、热防护系统和推进系统的合理设计等，均具有十分重要的意义。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对原始非结构网格数据进行预处理；步骤1.1：将非结构网格数据标记为壁面网格单元和流场网格单元，采用循环盒子法，求解每个流场网格单元的壁面距离，并标记与其距离最近的壁面网格单元；采用循环盒子法求解的方法如下：步骤1.1.1：统一编号所有壁面网格单元，获取所有壁面网格点三个方向(x,y,z)的最大最小坐标，形成一个包含所有壁面网格单元的外接长方形盒子；步骤1.1.2：采用二分方式，沿外接方盒子最长边将其等分，将相应的壁面网格单元分别存储于两个方盒子中；重复上述划分过程，当划分后的方盒子内含有壁面网格单元数小于50或者划分最大层次达到10层，这两种情况中的任意一种情况时，停止划分，形成N个方盒子，此时，每个方盒子包含有若干数量的壁面网格单元；步骤1.1.3：对于任意流场网格单元，分别计算该点到N个方盒子表面的最近壁面距离，依照最近距离，采用快速排序法对N个方盒子进行排序，选出距离最近的方盒子；此时，对循环盒子法求解的壁面距离进行修正；循环盒子法以流场网格单元格心点坐标到最近壁面网格单元格心点坐标的直线距离作为最小壁面距离，假设B1点为任一空间流场网格单元的格心，A点为与其对应的最近壁面网格单元的格心，则A、B1点间的距离d
AB1
为原始的循环盒子法求得的壁面距离，对壁面距离进行修正：d
AB2
＝d
AB1
×
cosα，其中，α为AB1线与壁面法向量间的夹角，d
AB2
为真实的壁面距离；步骤1.1.4：采用直接比较法，计算出步骤1.1.3中选取的任意网格单元到距离最近方盒子内所包含的壁面网格单元的距离，其中，最近的距离即为该点到最近方盒子的距离，同时记录所对应的壁面网格单元；步骤1.1.5：对步骤1.1.3中所获得的距离第二近的方盒子，重复步骤1.1.4操作，如果找到相比于步骤1.1.4更加近的距离，即为点到壁面的最近距离，同时更新对应的壁面网格单元编号；步骤1.2：建立一个二维指针数组w(i,j)，其中，第一维i用于记录每个壁面网格单元序号，第二维j记录所有将该壁面网格单元标记为最近壁面网格单元的流场网格序号，并按壁面距离由大至小进行排序；步骤1.3：二维指针数组w(i,j)中存储的是i个壁面单元对应的各自j个法向流场网格单元；计算每一个壁面网格对应的边界层外缘，求取边界层内横流速度w、最大横流速度w
max
、边界层动量厚度θ、边界层动量厚度雷诺数Re
θ
；其中，将边界层内所有网格单元的速度沿垂直于边界层外缘的无粘流速度的流向方向进行投影，获得边界层内所有网格单元的横流速度w，对该横流速度从1到j
edge
进行比较判断，获得最大横流速度w
max
；边界层动量厚度θ计算如下：其中，u表示边界层内的当地速度，u
e
表示边界层外缘速度，dy表示沿壁面法向积分；
动量厚度雷诺数Re
θ
计算如下：其中，ρ
e
表示边界层外缘密度，μ
e
表示边界层外缘流体动力粘性系数；步骤2：判断边界层外缘；沿网格重排序获得的边界层查寻路径，即，利用数组w(i,j)进行搜寻，当满足给定的边界层外缘判别准则时，即将其确定为边界层外缘；其中，判别准则，内容包括速度判据、速度导数判据、质量通量判据和总焓判据；步骤3：在已获得边界层外缘信息基础之上，获取其他相关的非当地变量参数信息；基于步骤2选定的边界层外缘判据，在w(i,j)数组中对每一个壁面网格单元i，逐个比较判断对应的j个壁面法向网格单元，将满足判据的网格单元标记为w(i,j
edge
)，即为边界层外缘网格单元；指针w(i,j
edge
)指向的网格单元存储的壁面距离信息即为边界层厚度δ，该网格单元存储的温度、马赫数和速度信息，即为边界层外缘温度T
e
、边界层外缘马赫数Ma
e
和边界层外缘速度u
e
；步骤4：对边界层外缘信息和非当地变量参数信息进行修正；其中，对边界层外缘信息的修正，即对边界层厚度δ的修正，方法如下：基于无量纲总焓判断边界层外缘，A点位于边界层内，对应的最小壁面距离为d
A
，总焓比为h
0A
/h
0∞
，B点位于边界层外，对应的最小壁面距离为d
B
，总焓比为h
0B
/h
0∞
，精确的边界层外缘位于A、B点之间；对于非结构网格流场数据存储在计算网格的格心处，当采用边界层判据进行边界层外缘辨识时，A点不满足判据，B点满足判据，则认定B点处的壁面距离及对应的流场变量作为边界层外缘参数；通过线性插值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周玲，黄明珂，郝子辉，季路成，
申请(专利权)人：北京电子工程总体研究所，
类型：发明
国别省市：