[发明专利]一种飞行器面对称跨流域流场的预测方法

说明书

本发明公开了一种飞行器面对称跨流域流场的预测方法，涉及跨流域流场模拟领域，包括：基于飞行器对应的第一物理空间网格和来流条件进行流场求解得到流场的速度和温度信息；生成三维速度空间网格，基于外边界对三维速度空间网格的网格范围进行设置获得三维半球形区域，获得半球形加密区域和球形加密区域，基于网格间距分布信息、半球形加密区域和球形加密区域生成半球形的速度空间网格，将半球形的速度空间网格对称复制得到球形的速度空间网格；基于第一物理空间网格和球形的三维速度空间网格进行迭代求解得到飞行器的三维物理空间流场；本发明实现飞行器面对称跨流域流场的快速预测。

技术领域

本发明涉及跨流域流场模拟领域，具体地，涉及一种飞行器面对称跨流域流场的预测方法。

背景技术

随着临近空间飞行器的发展，连续流与稀薄流共存的跨流域流场越来越常见，目前一般通过NS/DSMC分区搭接或者Boltzmann方程来求解，但是前者连续性失效参数的选取、交界面的判定过程较为复杂，而后者由于在多个流域内采用相同的控制方程，近些年来得到了很快的发展。Xu等人提出了统一气体动理学格式（Unified Gas Kinetic Scheme,UGKS），将粒子碰撞和迁移过程进行耦合，通过调整松弛时间实现方程在连续流和稀薄流之间的自动过渡，目前这种方法已经广泛应用于全流域全速域的流动预测中，比如多物理流动、湍流模拟等。但是该方法由于在物理空间和速度空间同时进行离散，带来了巨大的计算代价。

为了提高计算效率，针对速度空间网格出现了很多优化技术，比如笛卡尔网格自适应、非结构网格等。相较而言，非结构网格程序实现比较简单，远场边界可以为任意外形且容易进行指定区域的加密，得到了很多学者的青睐。常见的飞行器模型一般为面对称外形（对称面通常为z=0平面），在来流无侧滑的时候，空间流动也是面对称的。数值模拟过程中只需要在对称面上采用对称边界条件，计算半模飞行器的流场，然后通过对称边界得到全流场的结果。这种半模计算方法可以减少约一半的计算量和内存，是工程中预测复杂面对称外形飞行器面对称流场常用的方法。然而，UGKS算法中，采用常规的方法生成的非结构速度空间网格往往无法保证网格的面对称性，致使对称边界中分布函数处理十分复杂，大多数情况下需要进行插值处理，影响计算精度。为了避免复杂的对称边界处理，确保计算精度，即使是面对称外形的面对称流场模拟，很多研究者也是直接对全模飞行器进行跨流域流场模拟，造成了计算资源的浪费。

发明内容

本发明目的是实现飞行器面对称跨流域流场的快速预测。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种飞行器面对称跨流域流场的预测方法，所述方法包括：

步骤1：获得飞行器的外形尺寸信息，所述飞行器为面对称飞行器，基于所述飞行器的外形尺寸信息，构建所述飞行器对应的第一模型，截取一半所述第一模型获得第二模型，基于所述第二模型生成第一物理空间网格；

步骤2：基于所述第一物理空间网格和来流条件进行流场求解，得到流场的速度和温度信息，根据流场温度信息确定温度最低点对应的第一位置，并标记所述第一位置在x、y和z三个方向上的速度分别为：、和；

步骤3：生成三维速度空间网格，基于所述来流条件生成三维速度空间网格的外边界，基于所述外边界对三维速度空间网格在、和三个方向上的网格范围进行设置获得三维半球形区域，、和三个方向上从坐标原点往外，网格间距等比例增加。以坐标原点（，，）和温度最低点对应的宏观速度(，，)处为球心，分别设置半球形和球形加密区域，半球和球的半径由当地温度大小决定，温度越低，半径越大。基于上述约束条件，生成半球形的速度空间网格。将上述半球形网格关于平面进行对称复制，得到球形速度空间网格；

步骤4：基于所述第一物理空间网格和所述球形的三维速度空间网格进行迭代求解得到飞行器的三维物理空间流场。

其中，本方法的原理为：本方法通过速度空间网格局部加密和平面对称的方法，生成具有面对称特性的速度空间网格，进而结合分布函数对称边界条件，采用半模飞行器进行计算，实现面对称跨流域流场的快速预测。