基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法技术

本发明专利技术公开了一种基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法，涉及飞行器的编队飞行气动特性评估领域，包括：在动态编队飞行数值仿真过程中，通过调整网格自适应加密参数中的最大网格尺度

【技术实现步骤摘要】
基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法


[0001]本专利技术涉及飞行器的编队飞行气动特性评估领域
。
更具体地说，本专利技术涉及一种基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法
。

技术介绍

[0002]《
自然
》
杂志在
2001
年发表了对唐鹅长途迁徙编队飞行的研究结果，研究发现采用编队飞行的方式能够节省
11%~14%
的能量，同时编队飞行的唐鹅能够比单独飞行的唐鹅飞行更远的距离
。
受此启发，研究者开始了飞行器编队飞行气动特性的研究，并引入了涡流冲浪（
Surfing Aircraft Vortices for Energy
，
SAVE
）概念
。
该概念特指两架或两架以上飞机进行类似于候鸟的紧密编队飞行，飞行过程中后机“骑行”在前机涡流上，从而达到显著的增升和减阻效果
。
[0003]在编队飞行过程中，前机周围空气受到强烈扰动，受到干扰后的气流在机翼
、
机身等部件下游形成复杂的尾流场，这是影响后机气动特性的主要原因
。
当我们通过一定研究手段得到了不同编队相对位置下后机的气动特性分布后，就可以获知当前飞行状态下后机在编队中保持良好气动增益的最佳位置
。
但与此同时，如何安全到达或离开这一位置也是值得关注的问题，这是因为当后机靠近
、
远离或者越过前机翼尖涡时，后机表面流动将发生显著改变，导致气动力呈现强非线性
、
非定常特性，极易诱导出现非指令运动模态，加剧飞行控制各通道之间的相互耦合，降低飞行控制的可靠性和有效性，这种情况下，如果仅仅依靠飞行员来操纵飞机，在短时间内作出快速精准的操控反应显然是非常困难的，甚至会有飞行失控的风险，进而影响整个机群编队的飞行安全和任务执行
。
因此，需要对后机进入
/
改变编队这一动态过程开展仿真分析，为编队飞行控制策略优化提供动态数据支撑和仿真验证，提升编队飞行安全性
。
[0004]采用计算流体力学（
Computational Fluid Dynamics
，
CFD
）方法开展编队飞行动态进入
/
改出过程仿真分析，需要重点解决动态网格模拟方法
。
传统的动网格方法主要包括网格变形
、
网格重构
、
重叠网格等，其中网格变形只能模拟小尺度运动，而动态编队飞行过程可能面临几倍甚至十几倍飞机尺度的运动；网格重构耗费时间长，计算效率低下；传统的重叠网格方法需要重叠网格边界与对应位置的背景网格具有相同的网格单元尺度以保证插值边界成功构建，但如果在整个后机运动范围内对背景网格进行加密，会导致计算网格规模急剧增长，常规计算资源难以满足仿真需求
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和
/
或缺陷，并提供至少后面将说明的优点
。
[0006]为了实现本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法，包括：在动态编队飞行数值仿真过程中，通过调整网格自适应加密参数中的最大网格尺
度
L
max
、
最小网格尺度
L
min
、
加密控制因子
k
，以限制参与计算的网格尺寸，实现重叠网格的自适应
。
[0007]优选的是，所述动态编队飞行数值仿真过程之前的初始条件获取方式为：步骤一，对编队飞行中前机
、
后机的几何外形数模
GG1、GG、
参数指标进行读取；步骤二，生成与
GG1、GG
对应的表面网格
GS1、GS2，基于参数指标对
GS1、GS2进行旋转和平移变换，以更新前机
、
后机质心的空间坐标；步骤三，基于
GS1、GS2和参数指标生成对应的背景网格
GV1、
机体网格
GV2，且
GV2包括后包括机物面边界
GB
2W
、
后机网格外边界
GB
2O
两个边界；步骤四，对于与
GB
2O
重叠的背景网格单元，判断其尺度是否与
GB
2O
的面网格尺度相匹配，若不匹配，则采用二分法对背景网格加密一次，直至背景网格单元尺度与
GB
2O
网格尺度匹配后，将完全落在
GB
2O
内部的背景网格单元标记为洞内点，将与
GB
2O
重叠的背景网格单元标记为插值边界；步骤五，针对背景网格
GV1和后机网格
GV2，采用流动控制方程进行数值求解，且在求解过程中将步骤四中标记的洞内点进行冻结求解，并基于插值边界进行两套网格之间的数据交互；在迭代一定步数使流场达到初步收敛后，求解背景网格
GV1沿流向方向的涡量场
ω
x
，以及前机和后机的气动力
、
力矩；步骤六，基于步骤五中得到的
ω
x
，通过下式计算自适应网格尺度
L
A
，以依据
L
A
对
GV1进行重构，生成自适应加密后的背景网格，统计网格单元总量；上式中，
L
min
为最小网格尺度
L
min
，
L
max
为最大网格尺度，
k
为加密控制因子；步骤七，重复步骤五
、
六，直到流场完全收敛，提取收敛时的后机气动力
、
力矩，将其作为当前编队位置下的后机气动特性，通过动态计算，完成数据仿真；其中，在计算气动力矩时引入步骤二所更新的质心坐标
。
[0008]优选的是，在步骤七中，数据仿真的动态计算过程包括：步骤八，基于流场完全收敛时生成的网格，将流动控制方程采用
k
‑
ω
SST
模型对湍流进行模化
、
离散求解，直至当前物理时间步流场达到收敛，记录当前时刻流场结果和气动力
、
力矩系数；步骤九，基于初时刻
、
末时刻后机相对位置和后机移动速度，计算下一物理时刻的后机位置；步骤十，重复步骤四，完成重叠网格插值边界重新构建；步骤十一，重复步骤八，完成当前物理时间步流场求解收敛，记录当前时刻流场结果和气动力
、
力矩系数；步骤十二
、
重复步骤九
~
步骤十一，以完成动态编队飞行过程的数值仿真
。
[0009]优选的是，在步骤一中，所述参数指标包括飞机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法，其特征在于，在动态编队飞行数值仿真过程中，通过调整网格自适应加密参数中的最大网格尺度
L
max
、
最小网格尺度
L
min
、
加密控制因子
k
，以限制参与计算的网格尺寸，实现重叠网格的自适应
。2.
一种基于自适应重叠网格的动态编队飞行数值仿真方法，其特征在于，所述动态编队飞行数值仿真过程之前的初始条件获取方式为：步骤一，对编队飞行中前机
、
后机的几何外形数模
GG1、GG、
参数指标进行读取；步骤二，生成与
GG1、GG
对应的表面网格
GS1、GS2，基于参数指标对
GS1、GS2进行旋转和平移变换，以更新前机
、
后机质心的空间坐标；步骤三，基于
GS1、GS2和参数指标生成对应的背景网格
GV1、
机体网格
GV2，且
GV2包括后包括机物面边界
GB
2W
、
后机网格外边界
GB
2O
两个边界；步骤四，对于与
GB
2O
重叠的背景网格单元，判断其尺度是否与
GB
2O
的面网格尺度相匹配，若不匹配，则采用二分法对背景网格加密一次，直至背景网格单元尺度与
GB
2O
网格尺度匹配后，将完全落在
GB
2O
内部的背景网格单元标记为洞内点，将与
GB
2O
重叠的背景网格单元标记为插值边界；步骤五，针对背景网格
GV1和后机网格
GV2，采用流动控制方程进行数值求解，且在求解过程中将步骤四中标记的洞内点进行冻结求解，并基于插值边界进行两套网格之间的数据交互；在迭代一定步数使流场达到初步收敛后，求解背景网格
GV1沿流向方向的涡量场
ω
x
，以及前机和后机的气动力
、
力矩；步骤六，基于步骤五中得到的
ω
x
，通过下式计算自适应网格尺度
L
A
，以依据
L
A
对
GV1进行重构，生成自适应加密后的背景网格，统计网格单元总量；上式中，
L
min
为最小网格尺度
L
min
，
L
max
为最大网格尺度，
k
为加密控制因子；步骤七，重复步骤五
、
六，直到流场完全收敛，提取收敛时的后机气动力
、
力矩，将其作为当前编队...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓冰，陶洋，夏洪亚，刘光远，马上，陆连山，贾晓东，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：