一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU-SGS改进方法技术

本发明专利技术公开了一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU

【技术实现步骤摘要】
一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU
‑
SGS改进方法


[0001]本专利技术属于涉及空气动力学、计算流体力学、数值模拟和飞行器设计领域，尤其涉及一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法。

技术介绍

[0002]飞行器流场数值模拟是飞行器设计与评估的重要技术手段之一。通过流场的数值模拟，可以得到飞行器气动力特性、气动热环境、等离子体环境、目标特性等气动（或气动物理）特性，为飞行器气动外形、气动操控、热防护、通信、导航等系统设计提供中关键数据支持。
[0003]在飞行器流场数值模拟技术中，LU
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SGS（Lower
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Upper Symmetric Gauss Seidel）方法能显著地增加数值模拟稳定性和计算效率，是最常用的时间隐式算法之一。其核心思想是：将飞行器流场控制方程进行时间隐式离散，其隐式系数矩阵按空间依赖性，分解（或分裂）为三个矩阵：下三角矩阵L、对角矩阵D和上三角矩阵U；然后针对下三角矩阵L和上三角矩阵U，进行分次推进；系数矩阵的分解一般基于矩阵的谱半径进行，在分次推进过程中，需保证矩阵对角占优，进而保证迭代的稳定性。
[0004]现有LU
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SGS方法（包括其变种方法），理论上具备无条件稳定的特性，对数值迭代的库朗数（Courant
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Friedrichs
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Lewy，CFL）没有限制，可以取值无穷大。但在实际的飞行器数值模拟过程中，由于数值刚性、网格质量等因素，时间推进常常出现收敛困难，甚至出现发散现象。尤其在高超飞行器高温真实气体流场模拟时，现有LU
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SGS方法及其变种方法，仍在一定程度上存在稳定性和鲁棒性问题，为满足流场收敛性要求， CFL数一般取值较小，极大地影响了计算效率。造成这一现象的原因有很多，其中很重要的一个原因是：隐式系数矩阵分解（或分裂）时，采用了空间近似，忽略了相邻网格微元之间的空间差异性，在网格质量较差时，不能有效保证分次推进过程中矩阵对角占优。
[0005]因此仍有必要对LU
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SGS方法优化，进一步考虑空间差异性的影响，形成面向飞行器流场稳定模拟的LU
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SGS改进方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法，本专利技术数值模拟方法在现有LU
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SGS方法及其变种方法的基础上，进一步考虑空间差异性的影响，采用相邻网格微元的空间通量系数矩阵谱半径的最大值，代替原来网格微元空间离散通量系数矩阵谱半径，对上三角矩阵、对角矩阵和下三角矩阵进行同步优化，使其在网格质量较差时，仍能保证矩阵对角占优，进而提升飞行器流场模拟的稳定性。
[0007]本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法，所述增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法包括：
步骤1、根据飞行器外形，生成流场模拟的计算网格；步骤2、在计算网格的每一个网格微元上，隐式数值离散流动控制方程组；步骤3、采用相邻网格微元的空间通量系数矩阵谱半径的最大值，代替LU
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SGS方法中网格微元空间离散通量系数矩阵谱半径，对流动控制方程组中隐式系数矩阵分裂形成的上三角矩阵、对角矩阵和下三角矩阵进行同步优化，使得矩阵对角占优；步骤4、数值迭代计算隐式流动控制方程，直至得到收敛的流场结果；步骤5、基于流场守恒变量分布，计算得到飞行器气动力特性、气动热环境特性、等离子体环境特性和目标特性。
[0008]根据一个优选的实施方式，步骤1中所述计算网格包括：结构网格、非结构网格、结构网格
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非结构网格构成的混合网格中的一种或多种网格。
[0009]根据一个优选的实施方式，所述结构网格包括：一维结构网格、二维结构网格和三维的结构网格。
[0010]根据一个优选的实施方式，步骤2中流动控制方程组为飞行器流场模拟的控制方程，包括：欧拉方程组、N
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S方程组、湍流模型方程组中的一种或多种方程组。
[0011]根据一个优选的实施方式，步骤3中的空间通量包括对流通量、扩散通量中的一项或多项。
[0012]前述本专利技术主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本专利技术可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本专利技术方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本专利技术所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0013]本专利技术的有益效果：（1）考虑了空间差异性影响，能在网格质量较差时有效保证矩阵对角占优，提升数值模拟稳定性，更好地满足工程复杂网格流场稳定模拟需求；（2）计算开销小，实现过程简便，能有效回归原隐式离散方程组，从而保证数值求解的正确性；（3）通用性好，只要是运用“通过矩阵分裂技术，将隐式系数矩阵分裂（或分解）为上三角矩阵、对角矩阵和下三角矩阵，然后按空间依赖顺序分次（或多次）推进”这一核心原理的方法，无论是传统LU
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SGS方法，还是变种LU
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SGS方法，均适用于本专利技术；（4）适用面广，本方法适用的计算网格，包括但不限于一维、二维或三维的结构网格、非结构网格或结构
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非结构混合网格等常见的飞行器流场模拟网格；适用的流动控制方程组，包括但不限于欧拉方程组、N
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S方程组或湍流模型方程组等飞行器流场模拟常用的控制方程形式；涉及的空间离散格式，包括但不限于适用于对流通量的Steger
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warming、Vanleer、NND、TVD、AUSM类、Roe等迎风格式、适用于扩散通量的中心类格式等。
附图说明
[0014]图1是某应用案例的类航天飞机数值计算网格示意图；图2是某应用案例采用本专利技术方法和常规方法计算的残差收敛曲线示意图；图3是某应用案例采用本专利技术方法计算的气动热环境结果与飞行测量结果比较图。
具体实施方式
[0015]以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0016]实施例1本实施例公开了一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法，所述增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法包括如下步骤。
[0017]步骤1、根据飞行器外形，生成流场模拟的计算网格。
[0018]飞行器流场数值模拟，通常需要数值迭代求解流动控制方程组。由于数值迭代过程，需要在空间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法，其特征在于，所述增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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SGS改进方法包括：步骤1、根据飞行器外形，生成流场模拟的计算网格；步骤2、在计算网格的每一个网格微元上，隐式数值离散流动控制方程组；步骤3、采用相邻网格微元的空间通量系数矩阵谱半径的最大值，代替LU
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SGS方法中网格微元空间离散通量系数矩阵谱半径，对流动控制方程组中隐式系数矩阵分裂形成的上三角矩阵、对角矩阵和下三角矩阵进行同步优化，使得矩阵对角占优；步骤4、数值迭代计算隐式流动控制方程，直至得到收敛的流场结果；步骤5、基于流场守恒变量分布，计算得到飞行器气动力特性、气动热环境特性、等离子体环境特性和目标特性。2.如权利要求1所述的增强飞行器流场模拟稳定性的LU
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【专利技术属性】
技术研发人员：丁明松，江涛，陈坚强，梅杰，李鹏，刘庆宗，高铁锁，董维中，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：