【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及空气动力学、数值传热学、气体光谱学、电磁学和飞行器设计的，具体为一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法。
技术介绍
1、高超声速飞行器是国内外竞相发展的前沿科技，其中的高超声速飞行技术及其数值模拟方法，是包括探月飞船、火星探测器、高超声速飞机和天地往返运载器在内的飞行器研发的基础，因此也始终是国内外航空航天技术发展的前沿课题。
2、由于高超声速飞行器可达到10倍声速以上的极高飞行速度，高速气流在飞行器头部及表面滞止，产生强烈的气动冲击和气动加热，带来严峻的“气动力/热”工程问题；流场激波后的气体温度可达到几千甚至上万开尔文，高温气体发生复杂的化学反应，生成包括分子、原子、离子和电子在内的等离子体成分，并沿高速流动方向往后扩展，形成等离子体鞘套，与电磁场相互作用产生电磁屏蔽与干扰，带来电磁传输（即通信黑障）、电磁隐身和电磁流动控制等“气动电磁”工程问题；高温气体分子和离子等粒子的振动能、电子能会产生不同程度的激发与跃迁，出现高温辐射现象，影响光学信号传输和飞行器辐射目标特性，引发“气动光学”和“气动辐射”工程问题。
3、上述高超气动“力/热/光/电/磁”的工程问题，都是以高超声速流动为核心的多学科耦合模拟问题，其涉及的物理效应众多，物理方程和计算模型十分复杂。在耦合模拟过程中，不仅计算量大，模拟周期长，而且难以有效收敛，影响了计算精准度。
4、现有技术存在较多高超气动方面的研究，也形成了一些较为成熟的数值算法。但是，传统的方法仅针对单一的工程问题，在耦合模拟策略的选取上，大多
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决传统方法仅针对单一工程而带来的扩展性限制问题，因此提出了一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法。此方法在数值计算网格域划分的基础上，从高超气动“力/热/光/电/磁”多种作用机制及其相互影响强弱出发，建立了以高超声速飞行器的高温非平衡流动模拟为核心层、以物理效应解耦模拟为无耦合层的多学科多层级耦合模拟方法；通过在不同层级上运用不同的模拟策略，本专利技术因此具有灵活方便、通用性强和高效稳定的特点。
2、本专利技术采用了以下技术方案来实现目的：
3、一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，包括如下步骤：
4、步骤s1、依据多种物理机制与流动耦合的强弱以及多种物理机制的特征时间差异，确定并输入耦合参数；
5、步骤s2、依据多种物理机制的作用区域差异，划分计算网格，得到多个计算网格分区；将求解器记录于每个计算网格分区中；
6、步骤s3、依据多种物理机制与流动的耦合作用，对每个计算网格分区进行分层；计算网格分区被划分为核心层、耦合层和无耦合层；
7、步骤s4、针对核心层，以显隐混合方式进行当前迭代步的数值迭代；
8、步骤s5、针对耦合层，采用分类策略，进行当前迭代步的数值迭代；
9、步骤s6、针对无耦合层，依据间隔设定，进行当前迭代步的数值迭代；
10、步骤s7、判断各层的迭代是否收敛；若收敛，即得到用于高超声速飞行器设计与评估的多学科数据，进而计算出飞行器气动数据。
11、具体的，步骤s1中，耦合参数包括：耦合强度因子、特征时间系数和解耦间隔处理步数；其中，；为多种物理机制的种类数。
12、进一步的，步骤s3中，每个计算网格分区均包括核心层，核心层用于运行流动求解器，模拟高超声速飞行器的高温非平衡流动，为多学科耦合模拟提供基础流场数据；
13、在计算网格分区对应的多种物理机制中，将与流动耦合作用物理机制对应的耦合求解器列入耦合层中；耦合层中的物理机制对流动的影响以源项形式在流动求解器中表现；在数值迭代过程中，实现耦合求解器与流动求解器的共同迭代；
14、在计算网格分区对应的多种物理机制中，将与流动无耦合作用的物理机制列入无耦合层中；无耦合层中的物理机制的计算，通过解耦求解器，在流动数值模拟完成或达到相对稳定阶段时进行，作为流动模拟结果或阶段结果的后置处理计算。
15、进一步的，步骤s4中，在核心层进行流动求解器的第步迭代，为当前迭代步；耦合源项经过强弱判断后，被划分为强耦合源项和弱耦合源项；强耦合源项采用隐式时间离散处理，弱耦合源项采用显示时间离散处理；
16、进一步的，步骤s5中，针对耦合层，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个耦合求解器，依据对应物理机制的特征时间系数的差异，应用分类迭代策略，完成耦合层中当前迭代步的数值迭代过程；
17、进一步的，步骤s6中，针对无耦合层，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个解耦求解器，依据对应物理机制的解耦间隔处理步数，若当前迭代步整除时，即运行对应的解耦求解器，完成无耦合层中当前迭代步的数值迭代过程。
18、综上所述，由于采用了本技术方案，本专利技术的有益效果如下：
19、1、本专利技术针对高超气动的工程问题，具有兼容性强的特点；可兼容多种物理机制，以高超流动模拟为核心的力、热、光、电、磁等多学科计算仿真过程，都可以应用本专利技术；
20、2、本专利技术考虑了分区、分层设计；既考虑了各种物理机制发生区域的差异，从而减小不必要的冗余计算，又根据实际耦合情况，应用了不同的模拟策略，从而满足灵活性的需求；
21、3、本专利技术基于耦合作用强弱，进行了耦合源项的显式和隐式混合设计，从而在保证计算稳定性的同时，减小了耦合计算的复杂度；
22、4、本专利技术的分类处理策略中，考虑了物理机制特征时间尺度的差异，因此能实现多尺度问题的有效耦合模拟。
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1.一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S1中，耦合参数包括：耦合强度因子、特征时间系数和解耦间隔处理步数；其中，；为多种物理机制的种类数。
3.根据权利要求2所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：耦合强度因子的大小用于表征物理机制对流动的影响程度强弱，其变化范围为0至1，并将耦合强度因子等于0的情况确定为对应物理机制与流动的仿真之间是无耦合关系；
4.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S2中，在每个划分得到的计算网格分区上，建立求解器链表；依据每个计算网格分区包含的物理机制类别，将每种物理机制对应的求解器，按照耦合作用的强弱顺序，依次记录于对应计算网格分区的求解器链表中。
5.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S3中，每个计算网格分区均包括核心层，核心层用于运行流动求解器，模拟高超
6.根据权利要求5所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：判别每种物理机制是否与流动耦合的方式为：预设耦合判别参数，依据每种物理机制对应的耦合强度因子，若，即判别对应物理机制与流动耦合作用，反之则无耦合作用。
7.根据权利要求5所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：在步骤S4开始前，进行流动及多种物理机制的数值模拟初始化过程，设定各类物理场的初始参数和边界条件；
8.根据权利要求7所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S5中，针对耦合层，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个耦合求解器，依据对应物理机制的特征时间系数的差异，应用分类迭代策略，完成耦合层中当前迭代步的数值迭代过程；
9.根据权利要求8所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S5中应用的分类迭代策略，具体过程为：预设同步迭代的特征时间尺度差异上限，依据对应物理机制的特征时间系数，对于的耦合求解器，当整除时，迭代1次；对于的耦合求解器，每个迭代步进行多次该求解器的子迭代，子迭代次数为；对于的耦合求解器，每个迭代步迭代1次该求解器；的含义为对括号中参数值进行取整。
10.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S1中，多种物理机制包括：高超声速飞行器在飞行时，围绕流场高温非平衡流动所带来的力、热、光、电、磁工程问题所涉及的物理机制；
...【技术特征摘要】
1.一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤s1中，耦合参数包括：耦合强度因子、特征时间系数和解耦间隔处理步数；其中，；为多种物理机制的种类数。
3.根据权利要求2所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：耦合强度因子的大小用于表征物理机制对流动的影响程度强弱，其变化范围为0至1，并将耦合强度因子等于0的情况确定为对应物理机制与流动的仿真之间是无耦合关系；
4.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤s2中，在每个划分得到的计算网格分区上，建立求解器链表；依据每个计算网格分区包含的物理机制类别，将每种物理机制对应的求解器，按照耦合作用的强弱顺序，依次记录于对应计算网格分区的求解器链表中。
5.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤s3中，每个计算网格分区均包括核心层，核心层用于运行流动求解器，模拟高超声速飞行器的高温非平衡流动，为多学科耦合模拟提供基础流场数据；
6.根据权利要求5所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：判别每种物理机制是否与流动耦合的方式为：预设耦合判别参...
【专利技术属性】
技术研发人员：丁明松，江涛，陈坚强，李鹏，梅杰，张凡，刘庆宗，刘婉，傅杨奥骁，黄发霖，
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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