[发明专利]一种飞行器多体分离模拟方法

说明书

技术领域

本发明是一种飞行器的多体分离模拟方法，用于模拟和解决飞行器投弹、级间分离、武器抛洒等多体分离问题。

背景技术

当前的计算流体力学CFD技术已经能够较为精确的计算飞行器的静态气动特性和流场，定常状态的CFD计算已经成为飞行器工程设计不可缺少的手段。但是对于那些存在强烈非定常效应的流动，比如鸟类的扑翼、控制面的偏转、多体之间的相对运动等，CFD的精确模拟仍然存在困难，这是由于这些强烈的非定常效应是由壁面边界的快速运动和大的位移所导致的。尽管当前的CFD技术有能力处理此类的非定常运动，但在计算效率、精度和工程应用方面对运动边界的非定常CFD模拟仍然有大量的工作要做。

对运动边界的相对运动，如级间分离等此类多体分离问题和舵面等控制面的偏转问题等，此类数值模拟需要CFD数值模拟软件具备处理网格运动和变形的能力。处理网格运动和变形的方法通常分为两大类，分别是重叠网格和网格变形。无论是多体分离还是控制面偏转，它们的运动主要是刚体运动，特别是多体分离，不同物体之间的相互运动位移较大，如果采用网格变形的方法，大位移时势必要对网格进行重构，增加了解决问题的难度。重叠网格方法其各个网格内部的拓扑结构也不会随着物体的相对运动而改变，因此基于重叠网格方法的数值模拟方法特别适合于处理物体之间的相对运动。

最早的重叠网格是基于结构网格而发展的，目的是用于航天飞机之类复杂外形的网格生成，随后逐渐的用于更多的方面。基于结构网格的重叠网格方法虽然部分改善了网格生成的难度，但仍然需要使用者大量的人工干预和较为丰富的使用经验，极大地限制了和抵消了重叠网格所带来的优点。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种飞行器的多体分离模拟方法，可方便的与现有技术方法结合，解决飞行器在投弹、级间分离、武器抛洒等情况下的多体分离模拟问题。

本发明的技术解决方案是：一种飞行器多体分离模拟方法，步骤如下：

(1)对组成飞行器的每个运动物体分别独立生成各自的非结构网格；

(2)按照飞行器当前时刻对应的分离状态，对步骤(1)中生成的所有非结构网格进行重叠网格挖洞，屏蔽不参与流场计算的网格单元，并构造重叠网格的洞边界；

(3)根据步骤(2)中构造的洞边界，确定重叠网格的边缘单元；

(4)确定每个边缘单元的贡献单元，所述的贡献单元即为边缘单元提供插值信息的位于其他非结构网格的任意流场单元；

(5)确定从贡献单元给边缘单元的插值方法；

(6)对当前时刻下飞行器的流场进行解算，并根据解算结果进行六自由度刚体运动方程计算，确定飞行器中每个运动物体的位移；

(7)根据步骤(6)中确定的每个运动物体的位移，移动每个运动物体的非结构网格的位置，得到飞行器下一时刻的分离状态，将该分离状态作为新的当前时刻的分离状态从步骤(2)开始循环执行，直至达到预先设定的时刻。

所述步骤(2)中的构造重叠网格的洞边界步骤如下：

(2.1)构造每个非结构网格边界面的交替数据树ADT数据结构，对每个独立的非结构网格，将它的边界面插入到对应的ADT数据结构中；

(2.2)对每个网格单元，在其他非结构网格的ADT数据结构中查找是否有可能与之相交的壁面；如果有，则将该单元标记为切割单元；

(2.3)在完成所有的切割单元判断后，从位于物理边界的单元开始，使用填充算法快速的标定流场单元；

(2.4)流场单元与切割单元相接的面形成洞边界。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所用到的非结构重叠网格方法具有挖洞速度快、占用内存小；贡献单元查找迅速；贡献单元查找过程中没有额外的边界处理问题；对超过2个以上的多体分离模拟可以很方便的扩展。

(2)传统的非结构重叠网格方法使用单元到不同网格的距离作为洞边界构造和贡献单元查找的准则。这种方法的优点是在查找贡献单元的同时就得到了洞边界。其缺点在于需要对所有的单元都要进行贡献单元的查找，而且在边缘单元和贡献单元的空间分布不规则时容易失败。在本发明中，洞边界的构造和贡献单元的查找是分开进行的，只需要对数量有限的边缘单元进行贡献单元的查找，极大的降低了重叠网格的构造时间。

(3)本发明重叠网格洞边界的构造时采用ADT数据结构存储边界面，可以快速的进行查找判断，同时仅增加很少的内存。