【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及流固多物理场耦合数值模拟，尤其涉及一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法。
技术介绍
1、高马赫数飞行器面临以复杂流场和高焓等为特征的气动热力学环境，为了解决在此环境下的热防护和热气动弹性等关键问题，须统筹考虑高马赫数流场、热环境和结构之间的多物理场耦合问题。
2、应用分区耦合方法，将多物理场耦合问题分解为流场、热环境和结构三个子区。在求解过程中分别求解每个子区，并在每一个耦合时间步内交互信息实现耦合目的。每个子区之间的信息交互方式又分为紧耦合和松耦合。松耦合是指每个子区之间只进行一次信息交互；紧耦合是指每个子区之间进行多次信息交互。当前对于较长时间的多物理耦合问题，松耦合方法因其计算速度较快而受到广泛使用。但即使如此，多物理场耦合问题的计算效率仍是一大难题。
3、针对长时间的多物理场耦合计算分析，合理地选择耦合计算时间步长是十分重要的。目前，有关多物理场耦合数值模拟技术中，多采用固定计算时间步长，导致多物理场耦合计算效率难以提高。因此提出一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场耦合方法具有重要意义。
技术实现思路
1、本申请解决的技术问题是：克服采用固定计算时间步长导致的计算效率较低的缺点，提供了一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，提高了多物理场耦合计算效率，用于探究多物理场耦合过程中流场和固体场的物理响应规律，推动了多物理场耦合数值模拟技术的发展和应用。
2、本申请提供的技术方案如下：
3
4、s1：给定流场和固体场的初边界条件，基于流体流动控制方程，求解初始时刻的瞬态流场的壁面热流密度分布；
5、s2：考虑相邻时刻的流场温差，获得自适应耦合计算时间步长；
6、基于自适应耦合计算时间步长和流体流动控制方程，求解下一迭代时刻的瞬态流场的壁面热流密度分布；
7、s3：基于结构热传导控制方程和结构热传导控制方程，对固体场的初边界条件更新，并根据更新后的边界条件q(γ,t)，获得固体结构初始时刻的更新后瞬态温度场分布；
8、当边界条件为外部流体和固体相邻时，基于流固耦合界面关系方程，将瞬态流场的壁面热流密度分布传递给固体结构，根据s2获得的下一迭代时刻的瞬态流场的壁面热流密度分布和壁面辐射换热热流qrad，获得传入固体结构内部的热流qcond，以qcond作为边界条件q(γ,t)；
9、当边界条件为固体与舱内相邻时，q(γ,t)是给定的热流值或热流分布；
10、s4:基于结构热传导控制方程和s2获得的自适应耦合计算时间步长，求解下一迭代时刻的瞬态固体结构温度场分布；
11、s5：基于流固耦合界面关系方程，将瞬态固体结构温度场分布传递给相邻流场的流体域节点，作为流场计算的边界条件；
12、基于流体流动控制方程和流场计算的边界条件，获得下一迭代时刻的更新后的瞬态流场的壁面热流密度分布；
13、s6：重复步骤s2-s5，直至整个耦合时间结束。
14、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述s1中，流体流动控制方程为：式中：qi为流场的一个流体微元i的热流量，λ为气体的热传导系数，t为流场的一个流体微元i的温度。
15、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，通过求解量热完全气体模型的可压缩粘性流动navier-stokes控制方程组，获得所述流场温度t。
16、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述s2中，n+1迭代时刻的自适应耦合计算时间步长δtc为：
17、
18、式中，下标和上标n表示耦合时间步；tol为人为给定的输入容差；kp、ki和kd为pid控制器的经验参数；rn为温度在tn时刻的变化度量；rn-1为温度在tn-1时刻的变化度量；rn-2为温度在tn-2时刻的变化度量；δtcn为n迭代时刻的耦合计算时间步长。
19、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述式中，dγ表示耦合界面上温度积分的面积微元；γfs表示流-固耦合界面；tn表示流场的一个流体微元i在n迭代时刻的温度；tn-1表示流场的一个流体微元i在n-1迭代时刻的温度。
20、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述其中，δtmin和δtmax分别为给定的最小和最大耦合计算时间步长；m和m分别为给定的最小和最大的步长增长率；δtmin、δtmax、m和m根据经验值确定，以使计算瞬态流场的壁面热流密度分布时，流场参数收敛。
21、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述边界条件为外部流体和固体相邻时，基于流固耦合界面关系方程，将瞬态流场的壁面热流密度分布传递给固体域，此时边界条件其中，qcond为传入固体结构内部的热流，qrad为壁面辐射换热热流，γfs表示流-固耦合界面。
22、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述式中：ε为壁面发射率；σ为黑体辐射常数；tw为固体结构的壁面温度；t为流场温度。
23、在多物理场松耦合方法的一种可实现方式中，所述步骤s4中，结构热传导控制方程为：；i＝1,2,3，其中，ρs为固体结构的质量密度；cps为固体结构的比热容；ts为固体结构的温度；t为时间；λs,i为固体结构的热传导系数；q为固体结构内部的热源密度。
24、综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
25、当前多物理场耦合数值模拟技术中，多采用固定计算时间步长，导致多物理场耦合计算效率难以提高；本专利技术是基于自适应耦合计算时间步长方法，显著提高了多物理耦合计算效率，多物理耦合计算效率提高了90％。
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1.一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述S1中，流体流动控制方程为：式中：qi为流场的一个流体微元i的热流量，λ为气体的热传导系数，T为流场的一个流体微元i的温度。
3.根据权利要求2所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：通过求解量热完全气体模型的可压缩粘性流动Navier-Stokes控制方程组，获得所述流场温度T。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述S2中，n+1迭代时刻的自适应耦合计算时间步长ΔtC为：
5.根据权利要求4所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述式中，dΓ表示耦合界面上温度积分的面积微元；ΓFS表示流-固耦合界面；Tn表示流场的一个流体微元i在n迭代时刻的温度；Tn-1表示流场的一个流体微元i在n-1迭代时刻的温度。
6.根据权利要求4所述的一种基于自
7.根据权利要求1所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述步骤S3中，更新后边界条件q(Γ,t)包括以下两种情况：当边界条件为外部流体和固体相邻时，基于流固耦合界面关系方程，将瞬态流场的壁面热流密度分布传递给固体结构，根据S2获得的下一迭代时刻的瞬态流场的壁面热流密度分布和壁面辐射换热热流qrad，获得传入固体结构内部的热流qcond，以qcond作为边界条件q(Γ,t)；
8.根据权利要求7所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述边界条件为外部流体和固体相邻时，基于流固耦合界面关系方程，将瞬态流场的壁面热流密度分布传递给固体域，此时边界条件
9.根据权利要求7所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述式中：ε为壁面发射率；σ为黑体辐射常数；Tw为固体结构的壁面温度；T为流场温度。
10.根据权利要求1所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述步骤S4中，结构热传导控制方程为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述s1中，流体流动控制方程为：式中：qi为流场的一个流体微元i的热流量，λ为气体的热传导系数，t为流场的一个流体微元i的温度。
3.根据权利要求2所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：通过求解量热完全气体模型的可压缩粘性流动navier-stokes控制方程组，获得所述流场温度t。
4.根据权利要求1所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述s2中，n+1迭代时刻的自适应耦合计算时间步长δtc为：
5.根据权利要求4所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述式中，dγ表示耦合界面上温度积分的面积微元；γfs表示流-固耦合界面；tn表示流场的一个流体微元i在n迭代时刻的温度；tn-1表示流场的一个流体微元i在n-1迭代时刻的温度。
6.根据权利要求4所述的一种基于自适应耦合计算时间步长的多物理场松耦合方法，其特征在于：所述其中，δtmin和δtmax分别为给定的最小和最大耦合计算时间步...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔智亮，辜天来，尹戈玲，王兆伟，周添，罗健，姚冉，杨旸，秦云鹏，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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