[发明专利]一种超声速边界层多块网格定位及快速流场插值方法

说明书

本发明公开了一种超声速边界层多块网格定位及快速流场插值方法：读取各类超声速/高超声速飞行器的基本流场，建立分区结构化网格的拓扑结构和对接关系，自动识别基本流场的边界条件；建立分区结构化网格的快速搜索引擎，对于给定的物理空间坐标，快速精确地定位出该物理空间坐标对应的计算坐标；采用映射函数代替传统的差分差值方法，快速准确计算任意给定的物理空间坐标点上的流场量。本发明在复杂几何和来流情况下，提供多块网格的拓扑结构的识别和对接方法，以及给定坐标点的快速搜索定位引擎，及给定坐标点上流场物理量。

技术领域

本发明涉及超声速飞行器数值计算领域，更具体的说，是涉及一种超声速边界层多块网格定位及快速流场插值方法。

背景技术

航空航天技术关系到国家的经济及安全，其中高速飞行技术中的挑战性气动问题之一就是边界层转捩位置的预测。由于湍流的摩擦系数和传热系数远大于层流，边界层是否转捩和在何处转捩直接影响飞行器的摩擦阻力、热防护及流动分离位置等。若能较准确地预测出转捩位置并延迟转捩的发生，则可以提高升阻比，降低燃料消耗，为热防护设计提供依据，大大地改进飞行器性能。边界层转捩预测是准确预测超声速飞行器阻力和热流的前提之一，也是新型航空航天飞行器气动研制和热防护设计的瓶颈之一。而边界层特征参数的识别是边界层转捩位置准确预测的前提。

然而基于经典的理论和传统的方法所建立的边界层特征参数识别技术在超音速复杂三维边界层的边界层特征参数识别遇到的很多的问题，主要表现在以下几个方面：

第一、各类典型高升阻比外形飞行器的外形较复杂，无法仅采用一块结构化网格进行计算流体动力学仿真时，而通常采用多块对接结构化网格，因此边界层内可能分布在多块网格，需要从多块结构化网格中提取边界层流动的信息后才能进行边界层参数的识别。对于多块结构化网格的复杂三维流场，不同块上物理坐标与计算坐标的对应关系不同，需要根据结构化网格拓扑结构来综合建立有效的定位方法，快速给出给定物理坐标在多块网格中对应的计算坐标。

第二、对于复杂三维流场，由于网格较复杂，无法直接在物理坐标下(x,y,z)对流场进行插值，而往往在计算坐标下(i,j,k)进行插值。复杂外形的壁面上往往存在较大的曲率，加上壁面附近网格长宽比的失调，物理坐标与计算坐标的非线性关系很强，导致采用距离最小来确定物理坐标与计算坐标对应关系的方法失效，即通过在计算节点上的物理坐标与给定物理坐标之间距离最短来确定相应计算坐标值往往是错误的。因此需要在计算坐标中采用基于有限微分的方法进行插值。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种超声速边界层多块网格定位及快速流场插值方法，是一种在复杂几何和来流情况下，提供多块网格的拓扑结构的识别和对接方法，以及给定坐标点的快速搜索定位引擎，及给定坐标点上流场物理量的微分插值方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种超声速边界层多块网格定位及快速流场插值方法，包括以下步骤：

步骤一，读取各类超声速/高超声速飞行器的基本流场，建立分区结构化网格的拓扑结构和对接关系，自动识别基本流场的边界条件；

步骤二，建立分区结构化网格的快速搜索引擎，对于给定的物理空间坐标，快速精确地定位出该物理空间坐标对应的计算坐标；

步骤三，采用映射函数代替传统的差分差值方法，获得任意给定的物理空间坐标点上的流场量。

步骤一中基本流场处理包括Plot3D网格文件的读入和Plot3D数据文件的读入：

Plot3D网格文件的读入：①首先按照无格式网格文件读取文件头，得到nblock、imax、jmax、kmax信息，如果失败，按照有格式网格文件读取文件头，如果再失败，报错；②读取网格信息x、y、z；③根据网格信息识别计算域的范围；