一种用于数值模拟的非定常激波生成方法技术

本发明专利技术一种用于数值模拟的非定常激波生成方法，包括以下步骤：步骤一、选择数值模拟的流场一个边界为激波边界；步骤二、设定激波入射点在激波边界上的坐标xs和激波角β；步骤三、设定激波前边界的参数条件即已知激波前气流的参数条件；步骤四、根据激波关系式确定激波后边界的参数条件；步骤五、在数值模拟中生成非定常激波。利用该方法可生成便于控制的非定常激波，而且简单易行。

【技术实现步骤摘要】
一种用于数值模拟的非定常激波生成方法
本专利技术涉及计算流体力学领域，具体涉及超声速流动数值模拟的非定常激波生成方法。
技术介绍
随着计算机技术和计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)的发展，数值模拟在流体力学的研究中发挥出越来越重要的作用，并可以提供许多实验难以获取的信息。流体力学的一个重要分支是超声速流动，此时不可避免地会出现激波，并经常伴随着激波/边界层干扰、激波/湍流涡干扰、激波/混合层相互作用、激波/火焰相互作用等复杂现象的出现，使问题变得异常复杂。经过多年的研究，目前对激波已经形成了一些初步认识。一方面，强激波往往伴随着较大的阻力和流动损失，此时需要对其进行削弱和控制；另一方面，激波有增强混合及燃烧的作用，可以设法对其进行合理利用。然而，目前对涉及激波的这些复杂过程的理解还非常有限，对其中的很多机理性问题还缺乏清晰的认识，因此有必要进一步深入研究。数值模拟为研究这些涉及激波的复杂过程提供了一种有效的手段。此时一个关键的问题就是如何在数值模拟中生成我们想要的激波。另外，激波通常具有很强的非定常特性，为了使数值模拟更接近物理实际，常常需要生成非定常激波，即位置和强度随时间变化的激波。目前的数值研究针对非定常激波的处理方法大体可以分为三类。第一种是自然激波生成方法。基于真实物理条件对流场进行模拟，并采用一些特定的数值方法捕捉流场中可能出现的激波或涉及激波的各种非定常过程。这是一种最常用的方法，它的优点是简单方便，不需要太多的人为处理。第二种是初始化激波生成方法。在流场初始化的时候给定一道激波，让其自由扫过流场。Yang等(J.Yang，etal.ApplicationsofShock-InducedMixingtoSupersonicCombustion.AIAAJournal，31(5)：854-862，1993.)采用该方法研究了激波诱导涡流的过程。第三种是可动障碍物激波生成方法。在超声速流中的特定位置人为地设置一些障碍物，从而可获得具有一定特征的激波，如Boles等通过在上壁面设置斜劈产生斜激波来研究激波/喷流羽流相互作用(J.A.Boles，etal.HybridLES/RANSSimulationsofShock-DistortedInjectionPlumes.AIAAPaper2012-0480，2012.)。在此基础上引入动网格技术，从而可以模拟障碍物的运动过程并生成具有一定特征的非定常激波。上述激波生成方法存在以下不足：1、对于自然激波生成方法，激波行为不能控制，而且很难将激波及其影响从诸多复杂的因素中解耦出来，不适用于机理研究。2、对于初始化激波生成方法，激波一旦生成，其行为亦不可控制，且只能研究激波一次扫过流场的过程，不能模拟激波与流场的持续、反复作用过程。3、对于可动障碍物生成激波方法，动网格技术的引入会大大增加数值处理的困难，从而限制该方法在一些复杂流动中的应用。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提供了一种用于数值模拟的非定常激波生成方法，利用该方法可生成便于控制的非定常激波，而且简单易行。本专利技术一种用于数值模拟的非定常激波生成方法，包括以下步骤：步骤一、选择数值模拟的流场一个边界为激波边界1；步骤二、设定激波入射点11在激波边界1上的坐标-xs和激波角3-β；采用如下方式描述：xs＝f(t)β＝g(t)其中t为时间，f(t)和g(t)为时间t的函数；步骤三、设定激波前边界12的参数条件；激波前边界12的参数条件为已知激波前气流5的参数条件，即马赫数为M1，压力为p1，密度为ρ1，温度为T1，流向速度为u1，横向速度v1＝0；步骤四、根据激波关系式确定激波后边界13的参数条件，即马赫数M2，压力为p2，密度为ρ2，温度为T2，流向速度为u2，横向速度v2；步骤五、在数值模拟中生成非定常激波。所述步骤四的激波后边界13的参数条件的计算公式为：气流折转角δ：激波后气流的马赫数：激波后压力：激波后密度：激波后温度：T2＝p2/ρ2/R激波后流向速度：激波后横向速度：其中γ为气体比热比，R为气体常数。本专利技术利用激波边界条件生成激波，通过随时间变化的函数设定激波角度和激波入射点在激波边界上的坐标，从而可在数值模拟区域生成位置和强度均随时间变化的激波，且激波位置和强度随时间变化的规律均可以通过调整函数的形式来控制，从而可以为数值模拟生成行为可控性好的非定常激波。由于激波的生成与变化是通过在数值模拟的每一步中更新边界条件实现的，而不依赖于特定的物理构型，因此数值模拟的程序与网格设计简单。本专利技术的有益效果：1、将激波边界条件与控制函数相结合，生成具有任意非定常特性的激波；2、激波行为可控性好；3、数值实现和程序设计简单、易行。附图说明图1：本专利技术一种用于数值模拟的非定常激波生成方法示意图1.激波边界，11.激波入射点，12.激波前边界，13.激波后边界，2.激波，3.激波角，4.气流折转角，5.激波前气流，6.激波后气流具体实施方式下面结合附图对本专利技术进行详细的描述。本专利技术包括以下步骤：一、选择数值模拟的流场一个边界为激波边界1；二、设定激波入射点11在激波边界1上的坐标-xs和激波角3-β；为了生成位置和强度随时间变化的非定常激波2，根据数值模拟需要设定激波入射点11在激波边界1上的坐标-xs和激波角3-β，激波角3表征激波强度，激波入射点11、激波角3为随时间变化的控制函数。采用如下方式描述：xs＝f(t)β＝g(t)其中t为时间，f(t)和g(t)为时间t的函数。如f(t)、g(t)为正弦函数，则描述位置和强度随时间震荡；f(t)、g(t)为线性函数，则描述位置和强度随时间单调变化；f(t)为常函数、g(t)为正弦函数，则描述位置固定、强度随时间震荡。三、设定激波前边界12的参数条件入射点11之前为激波前边界12，激波前边界12的参数条件为已知激波前气流5的参数条件，即马赫数为M1，压力为p1，密度为ρ1，温度为T1，流向速度为u1，横向速度v1＝0。四、确定激波后边界13的参数条件；激波入射点11之后为激波后边界13；基于激波角度β和激波前边界12的参数条件，根据激波关系式确定激波后气流6的参数，作为激波后边界13的边界条件，即马赫数M2，压力为p2，密度为ρ2，温度为T2，流向速度为u2，横向速度v2。采用具体步骤如下：气流折转角4-δ：激波后气流6的马赫数：激波后压力：激波后密度：激波后温度：T2＝p2/ρ2/R激波后流向速度：激波后横向速度：其中γ为气体比热比，R为气体常数。五、在数值模拟中生成非定常激波。在数值模拟的每一步边界参数条件随时间自动更新，生成非定常激波。本专利技术根据激波理论或激波关系式可知，一旦激波的强度即激波角已知，则激波后的流动参数条件可以通过激波前的流动参数条件和激波角度完全确定。反过来，若想产生一定强度的激波，可通过强制给定流场不同区域的参数条件分别为激波前参数和激波后参数，则流场的特定位置必然形成一道强度与给定参数相对应的激波。本专利技术在数值模拟边界上的设定激波前边界和激波后边界两个区域，并将其边界条件分别给定为激波前参数和激波后参数，则在两个区域的交点即激波入射点处会产生一道激波。在数值模拟的每本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于数值模拟的非定常激波生成方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、选择数值模拟的流场一个边界为激波边界(1)；步骤二、设定激波入射点(11)在激波边界(1)上的坐标‑xs和激波角3‑β；采用如下方式描述：xs＝f(t)β＝g(t)其中t为时间，f(t)和g(t)为时间t的函数；步骤三、设定激波前边界(12)的参数条件；激波前边界(12)的参数条件为已知激波前气流(5)的参数条件，即马赫数为M1，压力为p1，密度为ρ1，温度为T1，流向速度为u1，横向速度v1＝0；步骤四、根据激波关系式确定激波后边界(13)的参数条件，即马赫数M2，压力为p2，密度为ρ2，温度为T2，流向速度为u2，横向速度v2；步骤五、在数值模拟中生成非定常激波。

【技术特征摘要】
1.一种用于数值模拟的非定常激波生成方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、选择数值模拟的流场一个边界为激波边界(1)；步骤二、设定激波入射点(11)在激波边界(1)上的坐标为xs和激波角(3)为β；采用如下方式描述：xs＝f(t)β＝g(t)其中t为时间，f(t)和g(t)为时间t的函数；步骤三、设定激波前边界(12)的参数条件；激波前边界(12)的参数条件为已知激波前气流(5)的参数条件，即马赫数为M1，压力为p1，密度为ρ1，温度为T1，流向速度为u1，横...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪洪波，王振国，孙明波，吴海燕，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43