【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数值模拟计算领域，更为具体的，涉及一种面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法。
技术介绍
1、高超声速飞行器的飞行速度可高达5倍音速以上，快速响应和突防能力极强，具有巨大的国防和经济效益，是国家长治久安的基石。由于地面试验条件和测量设备限制，很多高超复杂物理化学问题的试验研究常常面临较大困难，因此基于计算机数值计算的高超声速流动模拟技术，一直都是高超声速飞行器研制和发展的主要手段之一。
2、高超声速飞行高速飞行时，激波层内温度常常可高达几千甚至上万开尔文，高温气体发生离解、电离、交换、复合等复杂的化学反应，气体分子内能模态会出现不同程度的激发。由于化学反应和分子能量模态激发是在高速流动过程中发生，常常处于非平衡态，即出现高温非平衡效应，严重影响了高超飞行器的气动力、气动热、气动辐射、气动电磁等气动特性。因此高超飞行器高温非平衡流动的数值模拟，一直都是高超飞行器气动操控系统、热防护系统、目标识别系统以及电磁通信系统设计的重要物理和技术基础。
3、高超飞行器高温非平衡流动数值模拟方法，通常可以分为两类：耦合方法和解耦方法。
4、耦合方法一般是指将气体组分方程、振动-电子能量方程等，与高速流动的质量、动量、总能量守恒方程耦合求解，实现高温复杂化学反应、气体分子各能量模态激发与高速流动过程紧耦合模拟。这种方法可以较为充分地考虑了流动与热化学反应之间的相互影响，物理保真度较高。但其缺点在于，数值模拟计算量巨大。在常规完全气体流动的数值计算中，流动控制方程一般最多五个，但是高温非
5、解耦方法一般是指将气体组分方程、振动-电子能量方程等，与高速流动的质量、动量、总能量守恒方程分别独立求解。在求解气体组分方程、振动-电子能量方程时，通常假设化学反应不受流动影响，从而将气体组分方程、振动-电子能量方程简化为关于时间的常微分方程；在求解高速流动的质量、动量、总能量守恒方程时，通过等效比热比或类似方法，将非平衡效应耦合影响的求解过程简化。解耦方法减小了高温非平衡流动的计算量，数值模拟开销相对较小。但这种模拟方法与真实的物理过程存在一定差异，在某些情况下，计算结果的可靠性还有待商榷。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，不仅拥有与传统耦合方法相当的计算精准度和收敛性，而且计算效率大幅提升。
2、本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
3、一种面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，包括以下步骤：
4、s1，在飞行器流场计算网格上，离散高温非平衡流动控制方程组；
5、s2，在高温非平衡流动控制方程组的数值离散迭代计算过程中，通过近似判据，分别判断各个网格微元上是否满足解耦近似计算条件；若满足，转到步骤s3作进一步判断；否则转到步骤s4进行耦合计算；
6、s3，对于满足解耦近似计算条件的网格微元，判断是否满足迭代临近原则；若满足，解耦求解高温非平衡流动控制方程组；若不满足，则转到步骤s4进行耦合求解；
7、s4，对于不满足解耦近似计算条件或不满足“迭代临近原则”的网格微元，耦合求解高温非平衡流动控制方程组；
8、s5，完成所有网格微元的迭代计算，判断流场是否收敛；若未收敛，则转到步骤s2，进行流场的下一步循环迭代；若收敛，则转到步骤s6；
9、s6，得到飞行器非平衡绕流流场，进而得到飞行器的各项气动数据。
10、进一步地，在步骤s1中，所述离散高温非平衡流动控制方程组包括子步骤：以高温非平衡流动数值模拟的耦合方法为基础来离散高温非平衡流动控制方程组。
11、进一步地，在步骤s2中，所述通过近似判据，分别判断各个网格微元上是否满足解耦近似计算条件，包括子步骤：
12、在网格微元上进行流动控制方程的第步迭代时，如果满足如下近似判据：
13、
14、式中：代表网格微元上气体温度、气体密度的气体状态参数， t代表平转动温度， tv代表振动温度， te代表电子温度， ρ代表气体总密度， ρs代表气体各组分密度；和分别为第步和第步的气体状态参数，其中第步是当前正在迭代求解的计算步，第步为当前网格微元上过往的与当前迭代步最临近的耦合计算迭代步；为迭代精度指标；为近似源项放大系数，表征热化学非平衡源项对于变化的敏感程度；
15、则该网格微元第步迭代，满足解耦计算近似条件，转到步骤s3作进一步判断；否则，则不满足解耦计算近似条件，即必须进行耦合计算，转到步骤s4。
16、进一步地，在步骤s3中，所述迭代临近原则具体为：使约束迭代步n、两者之间或n、与迭代步三者之间迭代步数间隔小于设定值。
17、进一步地，在步骤s6中，所述得到飞行器非平衡绕流流场，进而得到飞行器的各项气动数据，具体包括子步骤：在步骤s5计算收敛之后，得到飞行器非平衡绕流流场密度、压力、温度参数的时间、空间上的分布变化，并用于计算飞行器气动力、气动热、气动电磁、气动辐射和气动光学的气动数据。
18、进一步地，所述网格微元上气体温度包括平转动温度、振动温度、电子温度。
19、进一步地，所述气体密度包括气体总密度、气体各组分密度的气体状态参数。
20、进一步地，所述迭代精度指标根据实际模拟的精度需求进行调节，取定值或动态变化值；当取动态变化值时，随数值迭代过程动态调整范围为：。
21、进一步地，近似源项放大系数的计算方法包括如下方式：
22、
23、式中：为源项的相对变化率，表示对向量各分量进行求和；为气体状态参数的相对变化率的最大值，表示对各个气体状态参数的相对变化率取最大值；第和第步分别为当前网格微元上过往的“与当前迭代步最临近”和“次临近”的“耦合计算”迭代步，为热化学非平衡源项。
24、进一步地，所述设定值取间隔步数上限d，d结合迭代采取的时间或虚拟时间步长确定。
25、本专利技术的有益效果包括：
26、本专利技术所提方法能够有效考虑“飞行器绕流流场各区域化学反应、热力学激发过程与高速流动耦合影响程本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，所述离散高温非平衡流动控制方程组包括子步骤：以高温非平衡流动数值模拟的耦合方法为基础来离散高温非平衡流动控制方程组。
3.根据权利要求1所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤S2中，所述通过近似判据，分别判断各个网格微元上是否满足解耦近似计算条件，包括子步骤：
4.根据权利要求3所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤S3中，迭代临近原则具体为：使约束迭代步n、两者之间或n、与迭代步三者之间迭代步数间隔小于设定值。
5.根据权利要求1所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤S6中，所述得到飞行器非平衡绕流流场，进而得到飞行器的各项气动数据，具体包括子步骤：在步骤S5计算收敛之后，得到飞行器非平衡绕流流场密度、压力、温度参数的时间、空间上的
6.根据权利要求3所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，所述网格微元上气体温度包括平转动温度、振动温度和电子温度。
7.根据权利要求3所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，所述气体密度包括气体总密度、气体各组分密度的气体状态参数。
8.根据权利要求3所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，所述迭代精度指标根据实际模拟的精度需求进行调节，取定值或动态变化值；当取动态变化值时，随数值迭代过程动态调整范围为：。
9.根据权利要求3所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，近似源项放大系数的计算方法包括如下方式：
10.根据权利要求4所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，所述设定值取间隔步数上限D，D结合迭代采取的时间或虚拟时间步长确定。
...【技术特征摘要】
1.一种面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤s1中，所述离散高温非平衡流动控制方程组包括子步骤：以高温非平衡流动数值模拟的耦合方法为基础来离散高温非平衡流动控制方程组。
3.根据权利要求1所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤s2中，所述通过近似判据，分别判断各个网格微元上是否满足解耦近似计算条件，包括子步骤：
4.根据权利要求3所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤s3中，迭代临近原则具体为：使约束迭代步n、两者之间或n、与迭代步三者之间迭代步数间隔小于设定值。
5.根据权利要求1所述的面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法，其特征在于，在步骤s6中，所述得到飞行器非平衡绕流流场，进而得到飞行器的各项气动数据，具体包括子步骤：在步骤s5计算收敛之后，得到飞行器非平衡绕流流场密度、压...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁明松，江涛，陈坚强，李鹏，梅杰，高铁锁，董维中，刘庆宗，刘婉，傅杨奥骁，
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：
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