一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法及系统，包括开展CFD数值计算之前，对待计算模型及外场进行几何前处理；选择表面网格单元类型，设置表面网格单元参数，进行几何表面网格绘制；进行体网格绘制，形成混合网格；基于所述混合网格，进行气动热环境数值模拟；基于气动热环境数值模拟结果，进行网格优化；基于优化后的网格重新进行气动热环境数值模拟，判断模拟结果是否满足要求，若不满足则继续优化网格；若满足，则认为已经获得收敛的气动热环境结果。本发明专利技术用于提高热环境数值模拟的效率。环境数值模拟的效率。环境数值模拟的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法及系统，属于航天气动热环境计算领域。

技术介绍

[0002]当飞行器以Ma>5高速飞行时，周围空气受到强烈压缩形成高温空气，对飞行器表面形成气动加热，给飞行器表面材料带来压力。准确可靠的高超声速气动热环境评估是防热设计的关键。
[0003]目前，基于计算流体力学的数值计算方法是评估气动热环境的重要方式。在工程实践中，一般基于结构化对接网格开展计算流体力学(CFD)数值计算，获得表面分布化热环境分布。精确的热环境数值模拟需要高质量网格，并在边界层内进行充分加密。然而针对局部突起、缝隙等复杂的几何结构，开展结构化网格绘制非常耗时。混合网格由于其较强的几何适应性，在流场数值模拟中逐渐应用起来。混合网格在表面压力捕捉上结果较好，然而受网格质量和算法限制，使用混合网格开展气动热数值模拟依然存在一定困难。计算网格的设计对混合网格气动热环境数值模拟的效果影响显著。

技术实现思路

[0004]本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法及系统，提高热环境数值模拟的效率。
[0005]本专利技术的技术解决方案是：
[0006]一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，包括：
[0007]开展CFD数值计算之前，对待计算模型及外场进行几何前处理；
[0008]选择表面网格单元类型，设置表面网格单元参数，进行几何表面网格绘制；
[0009]进行体网格绘制，形成混合网格；
[0010]基于所述混合网格，进行气动热环境数值模拟；
[0011]基于气动热环境数值模拟结果，进行网格优化；
[0012]基于优化后的网格重新进行气动热环境数值模拟，判断模拟结果是否满足要求，若不满足则继续优化网格；若满足，则认为已经获得收敛的气动热环境结果。
[0013]进一步的，所述对待计算模型及外场进行几何前处理，包括：
[0014]针对待计算模型的前处理，使用三维建模工具清除参考面、参考线，封闭不必要的缝隙结构；
[0015]针对外场的前处理，首先根据侧滑角是否为0选择全模或者半模方案之一，即：若待评估的流动状态侧滑角为0，则绘制半椭球或长方体外场，并绘制对称面；若待评估的流动状态侧滑角不为0，则绘制椭球或长方体外场；
[0016]确定流动计算域，流动计算域的所有包围面均确认是否封闭，编辑所有不封闭的面，直至流动计算域被封闭面包围。
[0017]进一步的，所述选择表面网格单元类型，设置表面网格单元参数，进行几何表面网格绘制，包括：
[0018]选择表面网格单元类型：针对混合网格，选择全三角形单元、四边形单元为主或者全四边形单元；针对飞行器前缘、唇口、舵轴，选择全四边形单元；针对其余一般表面，视几何特点自由选择；
[0019]设置表面网格单元参数：表面网格单元的长细比设置在1.8以下，前缘、唇口、舵轴区域设置超过1.8。
[0020]进一步的，使用网格绘制工具软件进行几何表面网格绘制。
[0021]进一步的，所述进行体网格绘制，包括：
[0022]绘制物面近壁网格，物面近壁区绘制棱柱层或六面体层；
[0023]绘制远场网格，远场网格单元类型选择四面体或六面体；在预估可能出现流动分离、激波、剪切层的区域将网格加密，这些区域网格单元尺寸设置为其他区域尺寸的0.2倍以下；远场网格单元的最大偏折角小于170度，对于缝隙类结构，设置缓冲层，避免缝隙两侧物面近壁网格间距过小。
[0024]进一步的，物面首层网格高度Δn满足Re
cell
≤10；
[0025]Re
cell
＝ρ
·
u
·
Δn/μ
[0026]式中：ρ为流体密度，u为流体速度，Δn为壁面法向第一层网格高度，即物面首层网格高度；μ为流体动力粘度；Re
cell
为网格单元判断量；
[0027]物面近壁区网格法向高度增长率小于1.2，物面近壁区网格层数至少20层。
[0028]进一步的，所述基于所述混合网格，进行气动热环境数值模拟，包括：
[0029]使用求解器，基于混合网格开展气动热环境数值模拟：空间离散采用二阶迎风格式，优先选取经过飞行试验、地面试验验证过的数值格式；CFL数采取从小到大逐步渐进过渡，保持计算稳定；时间离散格式采用隐式格式进行处理；湍流模型优先选择两方程SST模型，并进行可压缩性修正；数值模拟采用并行求解方式加速求解；
[0030]判断流动收敛性：数值残差下降3个数量级后，流动收敛。
[0031]进一步的，所述基于气动热环境数值模拟结果，进行网格优化，包括：
[0032]基于气动热环境数值模拟结果，通过流场截面分析，判断物面近壁网格是否完全覆盖激波层，若激波层内存在非物面近壁网格区，则增加物面近壁区网格层数；
[0033]基于气动热环境数值模拟结果，通过流场截面分析，判断流动分离、激波、剪切层区域网格是否加密；若未加密，将这些区域网格单元尺寸设置为其他区域尺寸的0.2倍以下；
[0034]基于气动热环境数值模拟结果，通过物面热流分析，判断是否存在由于局部网格过密而引起的不正常热流分布；若存在，则放大表面网格尺寸，重新绘制网格。
[0035]进一步的，本专利技术还提出一种复杂结构气动热环境分析系统，包括：
[0036]前处理模块：开展CFD数值计算之前，对待计算模型及外场进行几何前处理；
[0037]表面网格绘制模块：选择表面网格单元类型，设置表面网格单元参数，进行几何表面网格绘制；
[0038]体网格绘制模块：进行体网格绘制，形成混合网格；
[0039]数值模拟模块：基于所述混合网格，进行气动热环境数值模拟；
[0040]网格优化模块：基于气动热环境数值模拟结果，进行网格优化；基于优化后的网格重新进行气动热环境数值模拟，判断模拟结果是否满足要求，若不满足则继续优化网格；若满足，则认为已经获得收敛的气动热环境结果。
[0041]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0042](1)本专利技术与使用结构化网格开展的气动热环境数值模拟技术相比，采用混合网格方法可以大幅缩短网格生成时间，提高针对复杂结构开展热环境数值模拟的效率。
[0043](2)开展传统的结构化网格绘制时受拓扑限制难以兼顾尺度差异,导致部分精细化部件的热环境模拟精度降低,而采用本专利技术提到的混合网格方法可以实现混合尺度网格建模,特别适合吸气式飞行器唇口等小尺度部件流动模拟。
附图说明
[0044]图1为混合网格与流场数值模拟结果示意图；
[0045]图2为尖双锥模型尺寸参数示意图；
[0046]图3为试验与数值模拟结果对比示意图；
[0047]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于包括：开展CFD数值计算之前，对待计算模型及外场进行几何前处理；选择表面网格单元类型，设置表面网格单元参数，进行几何表面网格绘制；进行体网格绘制，形成混合网格；基于所述混合网格，进行气动热环境数值模拟；基于气动热环境数值模拟结果，进行网格优化；基于优化后的网格重新进行气动热环境数值模拟，判断模拟结果是否满足要求，若不满足则继续优化网格；若满足，则认为已经获得收敛的气动热环境结果。2.根据权利要求1所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：所述对待计算模型及外场进行几何前处理，包括：针对待计算模型的前处理，使用三维建模工具清除参考面、参考线，封闭不必要的缝隙结构；针对外场的前处理，首先根据侧滑角是否为0选择全模或者半模方案之一，即：若待评估的流动状态侧滑角为0，则绘制半椭球或长方体外场，并绘制对称面；若待评估的流动状态侧滑角不为0，则绘制椭球或长方体外场；确定流动计算域，流动计算域的所有包围面均确认是否封闭，编辑所有不封闭的面，直至流动计算域被封闭面包围。3.根据权利要求1所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：所述选择表面网格单元类型，设置表面网格单元参数，进行几何表面网格绘制，包括：选择表面网格单元类型：针对混合网格，选择全三角形单元、四边形单元为主或者全四边形单元；针对飞行器前缘、唇口、舵轴，选择全四边形单元；针对其余一般表面，视几何特点自由选择；设置表面网格单元参数：表面网格单元的长细比设置在1.8以下，前缘、唇口、舵轴区域设置超过1.8。4.根据权利要求3所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：使用网格绘制工具软件进行几何表面网格绘制。5.根据权利要求1所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：所述进行体网格绘制，包括：绘制物面近壁网格，物面近壁区绘制棱柱层或六面体层；绘制远场网格，远场网格单元类型选择四面体或六面体；在预估可能出现流动分离、激波、剪切层的区域将网格加密，这些区域网格单元尺寸设置为其他区域尺寸的0.2倍以下；远场网格单元的最大偏折角小于170度，对于缝隙类结构，设置缓冲层，避免缝隙两侧物面近壁网格间距过小。6.根据权利要求5所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：物面首层网格高度Δn满足Re
cell
≤10；Re
cell
＝ρ
·
u
·
Δn/μ式中：ρ为流体密度，u为流体速度，Δn为壁面法向第一层网格高度，即物面首层网格高度；μ为流体动力粘度；Re
cell
为网格单元判断量；物面近壁区网格法向高度增长率小于1.2，物面近壁区网格层数至少20层。
7.根据权利要求1所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：所述基于所述混合网格，进行气动热环境数值模拟，包括：使用求解器，基于混合网格开展气动热环境数值模拟：空间离散采用二阶迎风格式，优先选取经过飞行试验、地面试验验证过的数值格式；CFL数采取从小到大逐步渐进过渡，保持计算稳定；时间离散格式采用隐式格式进行处理；湍流模型优先选择两方程SST模型，并进行可压缩性修正；数值模拟采用并行求解方式加速求解；判断流动收敛性：数值残差下降3个数量级后，流动收敛。8.根据权利要求1所述的一种基于混合网格的复杂结构气动热环境分析方法，其特征在于：所述基于气动热环境数值模拟结果，进行网格优化，包括：基于气动热环境数值模拟结果，通过流场截面分析，判断物面近壁网格是否完全覆盖激波层，若激波层内存在非物面近壁网格区，则增加物面近壁区网格层数；基于气动热环境数值模拟结果，通过流场截面分析，判断流动分离、激波、剪切层区域网格是否加密；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王迅，程响，刘波，周禹，檀妹静，付斌，曹占伟，
申请(专利权)人：北京临近空间飞行器系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：