一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法技术

本发明专利技术提出了一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法，包括以下步骤：S1，通过计算域网格得到壁面的面元信息，基于壁面所有面元面心的空间坐标，构建K

【技术实现步骤摘要】
一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法


[0001]本专利技术涉及计算流体力学领域，尤其涉及一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法。

技术介绍

[0002]湍流现象普遍存在于自然界与工业界中，例如，自然界中的沙尘暴、台风海啸等极端天气，大型民航客机、客船所处的复杂流动环境，以及航空发动机自主研发涉及的发动机内部流动等，都是典型的湍流现象。湍流是空间和时间分布不规则的复杂流动现象，表现为强非线性、随机性、多尺度性等特点。
[0003]湍流模型一直是计算流体力学领域的一个研究重点，作为湍流模型常用的k
‑
ε模型，在早期应用中仅需要计算壁面第一层网格的壁面距离和无量纲壁面距离，来进行壁面函数的相关处理。而近年来应用广泛的SSTk
‑
ω模型，则需要计算整个计算域的壁面距离，该模型以此为依据，在近壁面附近采用适用于壁面流动的k
‑
ω模型，而在远离壁面范围采用适用于自由剪切流动的k
‑
ε模型。而近期提出并引发关注的WMLES(Wall
‑
Modeled LES)模型，其考虑壁面效应，常用于工程湍流的高精度模拟，该模型除了全域的壁面距离，此外更需要全域的无量纲壁面距离进行壁面处理。
[0004]目前，全域壁面距离的计算方法存在耗时长或结果不精确的问题，此外，无量纲壁面距离常常由湍动能进行计算，而大涡模拟中则无法据此进行计算。总而言之，目前尚未发展出一套快速、通用的计算全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法。
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技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法。
[0006]为了实现本专利技术的上述目的，本专利技术提供了一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法，包括以下步骤：
[0007]S1，通过计算域网格得到壁面的面元信息，基于壁面所有面元面心的空间坐标，构建K
‑
D树；
[0008]S2，基于K
‑
D树进行快速搜索，确定网格格心与面元面心的最近距离，记录网格与面元的对应关系；
[0009]S3，判断网格是否为壁面第一层网格，并对壁面第一层网格的最近距离进行修正，作为最终的壁面距离；
[0010]S4，基于S3得到的最终的壁面距离和Reichardt公式，采用二分法求解无量纲壁面距离。
[0011]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S1包括以下步骤：
[0012]通过已有的网格数据找到所有的壁面面元，确定其面心坐标信息(x1
i
,x2
i
,x3
i
),i∈{1,2,...,M}，x1
i
表示第i个面元的面心在x方向的坐标值，x2
i
表示第i个面元的面心在y
方向的坐标值，x3
i
表示第i个面元的面心在z方向的坐标值，M个面元对应的面心构成一个点集；
[0013]基于所述点集构建K
‑
D树，构建K
‑
D树的流程如下：
[0014]S1
‑
1，第一个面元的面心坐标(x11,x21,x31)作为树的根节点，然后令i＝2，得到第二个面元的面心坐标(x12,x22,x32)；
[0015]S1
‑
2，针对第i个面元的面心坐标(x1
i
,x2
i
,x3
i
)，依次与K
‑
D树第n层的节点的xk值进行比较，其中n∈N+，k＝mod(n
‑
1,3)+1，k取值为1、2和3分别指代x、y和z三个方向，mod为取余函数，若第i个面元面心的xk
i
值小于第n层节点的xk值，则进入第n层节点的左子树，否则进入右子树，直至子树为空树，判断i是否大于M，若是，则执行步骤S1
‑
3，若否，则将第i个面元的面心坐标(x1
i
,x2
i
,x3
i
)作为该树节点，且令i＝i+1，执行步骤S1
‑
2；其中k取值为1、2和3分别指代x、y和z三个方向，M为面元的总数目；
[0016]S1
‑
3，K
‑
D树构建完成。
[0017]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S2包括以下步骤：
[0018]对所有网格格心进行遍历，利用K
‑
D树确定每一个格心到面元面心的最短距离搜索K
‑
D树的流程如下：
[0019]S2
‑
1，进入根节点；
[0020]S2
‑
2，在第n层，令k＝mod(n
‑
1,3)+1，其中mod是取余函数；对比格心xk值和该节点xk值，若格心xk值小于节点xk值则进入左子树，否则进入右子树；xk即x1、x2、x3的统一表达形式，k可以取1、2、3，x1、x2、x3分别指代x、y和z；
[0021]S2
‑
3，重复执行步骤S2
‑
2，直至出现叶节点，将其标记为已访问，计算格心与该节点面心的距离L，若L小于最小距离变量d，令d＝L，且记录当前叶节点的面心编号；若L大于最小距离变量d，则执行下一步骤；
[0022]S2
‑
4，若当前节点为根节点，则进程结束，否则，执行步骤S2
‑
5；
[0023]S2
‑
5，进入父节点，若该节点已被访问过，执行步骤S2
‑
5，否则执行步骤S2
‑
6；
[0024]S2
‑
6，将该节点标记为已访问，计算格心与该节点面心的距离L，若L小于最小距离变量d，令d＝L，且记录当前节点的面心编号；
[0025]S2
‑
7，计算格心xk值和当前节点xk值的差的绝对值，若该值大于d，执行步骤S2
‑
4，否则进入当前节点的另一子树，执行步骤S2
‑
2。
[0026]此外，网格与面元的对应关系在于：面元面心信息构成了KD树，网格格心信息是KD树的输入，针对某个格心进行一次KD树搜索，就会得到距离此格心最近的面心，S2
‑
3和S2
‑
6最后都更新了面编号，该面编号与此格心具有对应关系。
[0027]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S3中的修正包括：
[0028]对在壁面法向方向上进行投影，得到修正后最近距离的向量表示其中，为当前的最近距离的向量表示，为当前的最近距离的向量表示，为面法向方向。
[0029]在本专利技术的一种优选实施方式中，所述S4中的Reichardt公式为：
[0030]其中，κ为冯卡门常数，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，通过计算域网格得到壁面的面元信息，基于壁面所有面元面心的空间坐标，构建K
‑
D树；S2，基于K
‑
D树进行快速搜索，确定网格格心与面元面心的最近距离，记录网格与面元的对应关系；S3，判断网格是否为壁面第一层网格，并对壁面第一层网格的最近距离进行修正，作为最终的壁面距离；S4，基于S3得到的最终的壁面距离和Reichardt公式，采用二分法求解无量纲壁面距离。2.根据权利要求1所述的一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法，其特征在于，所述S1包括以下步骤：S1
‑
1，第一个面元的面心坐标(x11,x21,x31)作为树的根节点，然后令i＝2，得到第二个面元的面心坐标(x12,x22,x32)；S1
‑
2，针对第i个面元的面心坐标(x1
i
,x2
i
,x3
i
)，依次与K
‑
D树第n层的节点的xk值进行比较，若第i个面元面心的xk
i
值小于第n层节点的xk值，则进入第n层节点的左子树，否则进入右子树，直至子树为空树，判断i是否大于M，若是，则执行步骤S1
‑
3，若否，则将第i个面元的面心坐标(x1
i
,x2
i
,x3
i
)作为该树节点，且令i＝i+1，执行步骤S1
‑
2；其中k取值为1、2和3分别指代x、y和z三个方向，M为面元的总数目；S1
‑
3，K
‑
D树构建完成。3.根据权利要求1所述的一种快速查找全域壁面距离和无量纲壁面距离的方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S2
‑
1，进入根节点；S2
‑
2，在第n层，令k＝mod(n
‑
1,3)+1，其中mod是取余函数；对比格心xk值和该节点xk值，若格心xk值小于节点xk值则进入左子树，否则进入右子树；xk即x1、x2、x3的统一表达形式，k可以取1、2、3，x1、x2、...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢卓雨，吴乘胜，王星，金奕星，王建春，
申请(专利权)人：中船重工奥蓝托无锡软件技术有限公司，
类型：发明
国别省市：