高超流动模拟CFL数动态调整方法、系统、设备及介质技术方案

本申请公开了一种高超流动模拟CFL数动态调整方法、系统、设备及介质，涉及流体力学和数值模拟领域，主要用于高超声速飞行器高超声速流动数值模拟过程，基于的流场压强和气体组分变化特征，通过迭代稳定性判断、线性稳定性判断、静默调控、空间差异性调整等操作，实现与高超流动模拟相匹配的区域化CFL数动态调控。该方法充分考虑了高超复杂流动特征和高超数值模拟参数计算顺序，能较为准确的捕捉由于CFL数不当带来的发散风险和计算冗余，显著增强数值模拟稳定性；实现过程相对简便，无需预估计算，计算开销小；考虑了空间差异性影响，能避免局部CFL数差异过大带来的流场非物理波动，兼顾了计算稳定性、效率和精准度。效率和精准度。效率和精准度。

【技术实现步骤摘要】
高超流动模拟CFL数动态调整方法、系统、设备及介质


[0001]本申请涉及数值模拟
，更具体地说，涉及高超流动模拟CFL数动态调整方法、系统、设备及介质。

技术介绍

[0002]高超声速飞行器指的是飞行速度超过5倍音速的飞行器，高超声速飞行器的飞行速度很高，具有较好的突防能力和机动飞行能力，能在1~2小时内到达全球任何位置执行任务。高超声速飞行技术，可为高超声速巡航导弹、高超声速飞机和可重复使用的航天运载器等飞行器的研制与发展打下基础，具有巨大的经济和军事效益。由于试验设备运行方式、焓值模拟能力等因素的限制，高超声速流动的地面风洞试验不仅代价高，而且在高马赫数范围模拟能力严重不足，即便是当前世界上最先进的高超声速风洞也无法完全复现高超飞行条件下的流场环境。因此基于计算机系统的高超声速流动的数值模拟，一直都是高超声速飞行器研制和发展的主要手段之一。
[0003]高超声速流动数值模拟过程中，CFL数是一个非常重要的概念，它在一定程度上决定了数值模拟的稳定性和效率。流场的稳定求解，必须满足CFL条件。通过CFL数和CFL条件，可计算得到流动控制方程时间推进允许的最大当地时间步长，CFL数越大，当地时间步长越长，从而加速收敛，节约计算时间。
[0004]值得注意的是，CFL条件仅仅是稳定收敛的必要条件，而不是充分条件。例如，对于一些无条件稳定的隐式计算方法，理论上CFL数可以取为无穷大，但随着模拟工况（例如复杂外形飞行器）和模拟现象（例如高温热化学非平衡现象）的复杂化，过大的CFL数，常常导致流场迭代计算的发散。这就带来了CFL数取值上的困扰：一方面CFL数必须足够小，才能使流场数值模拟稳定收敛；另一方面过小的CFL数，又会使当地时间步长过小，从而导致迭代收敛缓慢，浪费计算资源。
[0005]由于计算格式、计算工况和复杂现象的不确定性，在满足CFL条件的基础上，CFL数的取值常依赖于使用者的经验。在实际数值模拟过程，常常需要依据迭代收敛情况，不断调整CFL数，以达到稳定性与计算效率的平衡。而在常见流体力学数值模拟软件中，CFL数的设置一般有两种模式：定CFL数和变CFL数。定CFL数模式，顾名思义，就是人为给定CFL数，这种模式强烈依赖于用户的使用经验。例如著名的商业软件Fluent就主要采用这一方法，在软件使用过程中，一般需要用户自行设定CFL数，并根据迭代收敛情况人为修改CFL数。变CFL数模式，则要灵活得多，一般仅需要用户设定CFL的变化范围等参数，软件会根据计算迭代情况，自行选择合适的CFL数。这种模式不仅对用户的使用经验依赖较小，使用更方便，而且能尽可能的选择较大的CFL数，提升计算效率。但这种模式，强烈依赖于软件内置的CFL数动态变化算法，不同算法的实践效果差异很大，且对于复杂工况模拟，尤其是对于复杂高超声速飞行器高马赫复杂热化学非平衡流动现象的模拟，常常因为网格质量或物理现象过于复杂等原因，CFL数很难提升，计算加速效果不显著。2021年，美国兰利中心的LiWang等（Improvements in Iterative Convergence of FUN3D Solutions. DOI: 10.2514/
6.2021
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0857）公开了一种分层适应迭代方法（HANIM），可依据流场迭代情况动态调整CFL数，并应用于计算流体力学软件FUN3D，可大幅提升亚声速和超声速流动的数值计算效率。但在高超声速领域，尤其是对于高马赫复杂热化学非平衡流动模拟，这种方法的有效性还需要证实，同时由于它增加了很多预先计算环节，需要预估计算，整体实现相对复杂，单步计算开销较大。
[0006]因此，仍有必要发展适用于高超复杂流动模拟的CFL动态调整方法。

技术实现思路

[0007]本申请的目的是提供一种高超流动模拟CFL数动态调整方法，其能实现与非平衡流动相匹配的局部CFL数动态调控。本申请还提供了一种高超流动模拟CFL数动态调整方法系统、设备及计算机可读存储介质。
[0008]为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：一种高超流动模拟CFL数动态调整方法，包括：在对高超声速飞行器的高超流动控制方程组求解的第步迭代前，获取目标网格微元上的状态标识、CFL数、压强和上一迭代步压强变化量，为大于或等于1的整数；在第步迭代完成后，获取所述目标网格微元上的压强及其压强变化量，获取所述目标网格微元上各气体组分质量分数及各气体组分质量分数的迭代变化量，其中，，表示混合气体组分总个数；基于所述压强、所述压强及所述压强变化量判断是否迭代稳定，和/或基于所述迭代变化量判断是否迭代稳定，若判定结果中存在迭代不稳定，则减小所述CFL数得到CFL数，同时设置静默期；若判定结果均为迭代稳定且、，则基于所述压强变化量及所述压强变化量判断是否线性稳定，若判定线性不稳定，则减小所述CFL数得到所述CFL数，同时设置所述静默期；若判定线性稳定且所述状态标识的值为预设值，则基于所述压强变化量、所述压强及所述压强判断所述CFL数是否过小，和/或基于所述迭代变化量判断所述CFL数是否过小，若判定结果中存在所述CFL数过小，则增大所述CFL数得到所述CFL数；若判定结果均为所述CFL数非过小，则延续所述CFL数得到所述CFL数
，更新所述静默期；基于所述CFL数确定第步迭代的CFL数；其中，状态标识的值大于预设值时表征所述目标网格微元处于所述静默期，不允许增大CFL数，所述状态标识的值等于所述预设值时表征所述目标网格微元处于活跃期，允许增大所述CFL数。
[0009]优选的，所述基于所述压强、所述压强及所述压强变化量判断是否迭代稳定，包括：若，则判定迭代不稳定；若，则判定迭代稳定；其中，表示取最大值；表示自动调节因子；表示压强相对变化上限。
[0010]优选的，所述基于所述迭代变化量判断是否迭代稳定，包括：若，则判定迭代不稳定；若，则判定迭代稳定；其中，，表示所述迭代变化量中的最大值；表示自动调节因子；表示气体组分质量相对变化上限。
[0011]优选的，所述基于所述压强变化量及所述压强变化量判断是否线性稳定，包括：若，则判定线性不稳定；若，则判定线性稳定；其中，；表示自动调节因子；表示压强相对变化上限。
[0012]优选的，所述基于所述压强变化量、所述压强及所述压强判断所述
CFL数是否过小，包括：若，则判定所述CFL数过小；若，则判定所述CFL数非过小；其中，表示取最大值；表示自动调节因子；表示压强相对变化下限。
[0013]优选的，所述基于所述迭代变化量判断所述CFL数是否过小，包括：若，则判定所述CFL数过小；若，则判定所述CFL数非过小；其中，，表示所述迭代变化量中的最大值；表示自动调节因子；表示气体组分质量相对变化下限。
[0014]优选的，所述减小所述CFL数得到CFL数，包括：通过第一运算公式，减小所述CFL数得到所述CFL数；所述第一运算公式包括：；其中，表示所述CFL数的允许最小值；表示缩小系数；表示取最大值；所述设置所述静默期，包括：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超流动模拟CFL数动态调整方法，其特征在于，包括：在对高超声速飞行器的高超流动控制方程组求解的第步迭代前，获取目标网格微元上的状态标识、CFL数、压强和上一迭代步压强变化量，为大于或等于1的整数；在第步迭代完成后，获取所述目标网格微元上的压强及其压强变化量，获取所述目标网格微元上各气体组分质量分数及各气体组分质量分数的迭代变化量，其中，，表示混合气体组分总个数；基于所述压强、所述压强及所述压强变化量判断是否迭代稳定，和/或基于所述迭代变化量判断是否迭代稳定，若判定结果中存在迭代不稳定，则减小所述CFL数得到CFL数，同时设置静默期；若判定结果均为迭代稳定且、，则基于所述压强变化量及所述压强变化量判断是否线性稳定，若判定线性不稳定，则减小所述CFL数得到所述CFL数，同时设置所述静默期；若判定线性稳定且所述状态标识的值为预设值，则基于所述压强变化量、所述压强及所述压强判断所述CFL数是否过小，和/或基于所述迭代变化量判断所述CFL数是否过小，若判定结果中存在所述CFL数过小，则增大所述CFL数得到所述CFL数；若判定结果均为所述CFL数非过小，则延续所述CFL数得到所述CFL数，更新所述静默期；基于所述CFL数确定第步迭代的CFL数；其中，状态标识的值大于预设值时表征所述目标网格微元处于所述静默期，不允许增大CFL数，所述状态标识的值等于所述预设值时表征所述目标网格微元处于活跃期，允许增大所述CFL数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述压强、所述压强及所述压强变化量判断是否迭代稳定，包括：若，则判定迭代不稳定；
若，则判定迭代稳定；其中，表示取最大值；表示自动调节因子；表示压强相对变化上限。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述迭代变化量判断是否迭代稳定，包括：若，则判定迭代不稳定；若，则判定迭代稳定；其中，，表示所述迭代变化量中的最大值；表示自动调节因子；表示气体组分质量相对变化上限。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述压强变化量及所述压强变化量判断是否线性稳定，包括：若，则判定线性不稳定；若，则判定线性稳定；其中，；表示自动调节因子；表示压强相对变化上限。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述压强变化量、所述压强及所述压强判断所述CFL数是否过小，包括：若，则判定所述CFL数过小；若，则判定所述CFL数非过小；其中，表示取最大值；表示自动调节因子；表示压强相对变化下限。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述迭代变化量判断所述
CFL数是否过小，包括：若，则判定所述CFL数过小；若，则判定所述CFL数非过小；其中，，表示所述迭代变化量中的最大值；表示自动调节因子；表示气体组分质量相对变化下限。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减小所述CFL数得到CFL数，包括：通过第一运算公式，减小所述CFL数得到所述CFL数；所述第一运算公式包括：；其中，表示所述CFL数的允许最小值；表示缩小系数；表示取最大值；所述设置所述静默期，包括：设置状态标识的值为静默步数值。8.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁明松，梅杰，陈坚强，李鹏，刘庆宗，高铁锁，董维中，江涛，郭勇颜，何磊，
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：