[发明专利]一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法

说明书

本发明涉及一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法，属于流体力学中的边界层转捩预测技术领域。本发明方法，首先对网格进行了预处理，所有获取边界层信息的计算均在w(i,j)数组中完成，由于w(i,j)数组表征壁面网格单元的i彼此独立，因此可进行大规模并行计算，适用于现代的CFD计算方法。采用循环盒子法寻找最近壁面距离，在此基础上完成对网格的重排序，具有较高计算效率。由于w(i,j)数组基本沿着壁面法向方向，且进行了壁面距离修正、边界外缘以及边界层非当地变量参数修正，所获结果具有较高精度。

技术领域

本发明涉及一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法，属于流体力学中的边界层转捩预测技术领域。

背景技术

长期以来，边界层转捩作为流体力学领域的一个前沿和难点问题，受到了广泛而持续的关注。尽管关于边界层转捩的基础理论和发生机理仍在研究发展中，但其在工程实践中的重要性已经日益突出。例如，在航空航天工程领域中，转捩的发生位置和发展过程对飞行器的升阻特性、边界层分离以及表面气动加热等具有显著的影响，因此，边界层转捩的准确预测，对于航空航天飞行器气动外形、控制系统等设计具有非常重要的意义。

边界层转捩表征了流体从简单的分层稳定状态到复杂的混沌湍流状态的过渡，是十分重要却又极其复杂的流动问题。由于边界层转捩会显著影响飞行器以及叶轮机叶片的流动分离位置、壁面摩擦阻力、壁面热流交换、进气道流场品质、发动机燃料混合以及燃烧等，因此，研究有效的边界层转捩预测方法，对飞行器气动性能的准确预测、热防护系统和推进系统的合理设计等，均具有十分重要的意义。

目前，国内外研究人员已经提出了多种边界层转捩预测方法，包括半经验的e^N方法、转捩模式、转捩准则、直接数值模拟和大涡模拟等。其中，转捩模式、转捩准则等方法，由于计算量小、可靠性强，经过风洞或飞行实验数据标定之后具有较高的预测精度，在工程中广泛使用。但是，这两种方法在构造过程中，会使用到一些边界层非当地变量信息，例如：边界层内横流速度w、最大横流速度w_max、边界层动量厚度θ、动量厚度雷诺数Re_θ、边界层外缘速度u_e、边界层外缘马赫数Ma_e以及边界层外缘温度T_e，等等，这些参数在现代的基于大规模并行和非结构网格的计算流体力学(CFD)方法中难以获取，极大限制了转捩模式、转捩准则方法在复杂外形边界层转捩预测中的应用，预测精度也难以提升。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为解决在基于大规模并行和非结构网格的计算流体力学方法中，难以并行获取边界层非当地变量信息的技术问题，导致所构造的转捩模式和转捩准则方法受几何外形约束，应用范围存在局限、预测精度难以进一步提升等，提出一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法。

一种用于非结构网格的获取边界层非当地变量信息的方法，包括如下步骤：

步骤1：进行网格预处理。

在进行转捩迭代计算之前，首先对读入并存储的原始非结构网格数据进行预处理，对其重新排序，并构造适用于大规模并行求解的数据存储方案。

具体如下：

步骤1.1：将非结构网格数据标记为壁面网格单元和流场网格单元。采用循环盒子法，求解每个流场网格单元的壁面距离，并标记与其距离最近的壁面网格单元。

具体地，采用循环盒子法求解的方法如下：

步骤1.1.1：统一编号所有壁面网格单元，获取所有壁面网格点三个方向(x,y,z)的最大最小坐标，形成一个包含所有壁面网格单元的外接长方形盒子。