基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法与流程

1.本发明涉及飞行器气动分析方法，具体是一种基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法。


背景技术：

2.在飞行器设计时经常需要进行大量的整机cfd分析。飞行器cfd分析基于网格模型。为了保证网格模型边界对cfd分析结果没有影响，飞行器cfd模型的边界距离机身通常大于机身长度的20倍，例如，飞行器机身长100m，计算域的边界距离机身大于2000m。在这个计算域中需要用计算网格填满，而且网格需要表征飞行器细小的外轮廓几何特征，最小的网格往往只有几平方毫米，由此导致飞行器cfd模型的网格数量巨大，部分网格长细比非常大，飞行器cfd分析的计算量非常巨大。基于此，有必要发明一种基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法，以解决传统飞行器cfd分析计算量大、效率低的问题。


技术实现要素：

3.本发明为了解决传统飞行器cfd方法计算量大、效率低的问题，提供了一种基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法。
4.本发明是采用如下技术方案实现的：
5.一种基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法，该方法是采用如下步骤实现的：
6.步骤一：
7.利用飞行器的参数化几何模型生成飞行器的几何形状；
8.然后，利用网格处理软件，生成围绕飞行器的直径为10000m的流场计算域网格；
9.然后，将飞行器的流场计算域网格导入cfd软件，进行不同马赫数下的cfd分析，得到以飞行器的形心为球心且直径各异的m个球面上空气的流速、压力、密度、温度，m为大于1的正整数；
10.步骤二：
11.改变飞行器的几何形状，重复执行步骤一，由此得到不同几何形状飞行器在m个球面上空气的流速、压力、密度、温度，并将计算结果存入数据库；
12.步骤三：
13.分别建立m个球面上空气的压力、密度、流速、温度相互关系的球面气动力降阶模型，并利用数据库中的计算结果辨识球面气动力降阶模型；
14.本发明中步骤一至步骤三仅需要完成一次。
15.步骤四：
16.根据新设计的飞行器的尺寸，从m个球面气动力降阶模型中选择一个直径为d的球面气动力降阶模型，且d大于飞行器的尺寸；并以该球面气动力降阶模型的球面为交界面，将飞行器cfd模型的计算域分为邻近场与背景场；
17.然后，对飞行器邻近场的计算域划分网格，选择差分格式、湍流模型、材料种类，设定基本参数，所述基本参数包括来流压力、流速、温度，由此建立飞行器邻近场cfd模型；
18.步骤五：
19.步骤a：根据飞行器邻近场cfd模型在直径为d的球面上的流量分布，用直径为d的球面气动力降阶模型计算出该流量分布下球面上的压力分布；
20.步骤b：将步骤a计算得到的压力分布插值传递到飞行器邻近场cfd模型的球面边界上，由此实现球面气动力降阶模型与飞行器邻近场cfd模型的耦合，得到cfd边界替代混合模型；
21.步骤c：在新的球面边界压力分布下进行飞行器邻近场cfd模型的气动分析，得到球面边界的流量分布，并将该流量分布与步骤a中的流量分布进行比较，若不相等，则执行步骤a；若相等，则终止迭代，由此得到飞行器的气动力。
22.由于背景场对飞行器邻近场cfd模型的影响已经被球面气动力降阶模型表征，这时飞行器邻近场cfd模型的气动分析结果与飞行器全域cfd结果相同，这种采用气动力降阶模型和cfd模型混合的仿真模型被称为cfd边界替代混合模型。
23.本发明中气动分析方法采用常规方法来实现。
24.进一步地，m＝8；根据实际使用场景，确定了八个球面的直径分别为10m、20m、50m、100m、200m、300m、400m、500m。
25.进一步地，步骤三中，球面上空气的压力、密度、流速、温度之间的关系式表示如下：
26.p(x,y,z)＝ψ{ρ(x,y,z),v[u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z)],t(x,y,z)}
[0027]
式中，ψ是球面气动力的函数；v[u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z)]是流速矢量；p(x,y,z)是压力分布；ρ是密度；t是温度。
[0028]
进一步地，步骤四中，直径d略大于飞行器的尺寸。
[0029]
本发明通过建立球面气动力降阶模型，能够在给定的球面流量和温度分布下提供与全域cfd模型相同的球面压力分布，或者在给定的球面压力和温度分布下提供与cfd模型相同的球面流量分布。
[0030]
为保证cfd边界替代混合模型的气动分析结果同飞行器全域cfd模型的气动分析结果相同，本发明在直径为d的球面上采用高阶连续方法或低阶连续方法耦合球面气动力降阶模型与仿真模型，并用耦合后的模型进行新设计的飞行器的气动分析。
[0031]
利用本发明所述的基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法，在步骤五后，可以进一步调整飞行器的形状等参数，并用cfd边界替代混合模型进行新设计的飞行器的气动分析，由此实现对新设计的飞行器的形状的优化。
[0032]
与传统方法相比，本发明所述的基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法基于全新原理，这种边界替代混合模型可以考虑周围流场对飞行器的影响，却不需要对外围背景流场进行cfd模拟。在飞行器cfd过程中可以大幅度减少数值模拟的计算量，显著提高了cfd分析的效率，从而可以显著加快飞行器气动外形的设计进程。
[0033]
本发明有效解决了采用传统方法进行飞行器cfd分析时计算量庞大、效率低的问题，适用于飞行器的气动外形设计和优化。
附图说明
[0034]
图1是本发明中邻近场与背景场的比例参考图；
[0035]
图2是本发明中球面气动力降阶模型与飞行器邻近场cfd模型的耦合方法参考图。
具体实施方式
[0036]
实施例1
[0037]
一种基于边界替代混合模型的飞行器气动分析方法，该方法是采用如下步骤实现的：
[0038]
步骤一：
[0039]
利用飞行器的参数化几何模型生成飞行器的几何形状；
[0040]
然后，利用网格处理软件，生成围绕飞行器的直径为10000m的流场计算域网格；
[0041]
然后，将飞行器的流场计算域网格导入cfd软件，进行不同马赫数下的cfd分析，得到以飞行器的形心为球心、直径为10m、20m、50m、100m、200m、300m、400m、500m的八个球面上空气的流速、压力、密度、温度；
[0042]
步骤二：
[0043]
改变飞行器的几何形状，重复执行步骤一，由此得到不同几何形状飞行器在八个球面上空气的流速、压力、密度、温度，并将计算结果存入数据库；
[0044]
步骤三：
[0045]
球面上空气的压力、密度、流速、温度之间的关系式表示如下：
[0046]
p(x,y,z)＝ψ{ρ(x,y,z),v[u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z)],t(x,y,z)}
[0047]
式中，ψ是球面气动力的函数；v[u(x,y,z),v(x,y,z),w(x,y,z)]是流速矢量；p(x,y,z)是压力分布；ρ是密度；t是温度；
[0048]
分别建立八个球面上空气的压力、密度、流速、温度相互关系的球面气动力降阶模型，并利用数据库中的计算结果辨识球面气动力降阶模型；
[0049]
本发明中步骤一至步骤三仅需要完成一次。
[0050]
步骤四：
[0051]
新设计的飞行器的最大尺寸小于10m，选择一个直径为20m的球面气动力降阶模型；并以该球面气动力降阶模型的球面为交界面，将飞行器cfd模型的计算域分为邻近场与背景场，如附图1所示；
[0052]
然后，对飞行器邻近场的计算域划分网格，选择差分格式、湍流模型、材料种类，设定基本参数，所述基本参数包括来流压力、流速、温度，由此建立飞行器邻近场cfd模型；
[0053]
步骤五：
[0054]
步骤a：根据飞行器邻近场cfd模型在直径为20m的球面上的流量分布，用直径为20m的球面气动力降阶模型计算出该流量分布下球面上的压力分布；
[0055]
步骤b：将步骤a计算得到的压力分布插值传递到飞行器邻近场cfd模型的球面边界上，由此实现球面气动力降阶模型与飞行器邻近场cfd模型的耦合，得到cfd边界替代混合模型；
[0056]
步骤c：在新的球面边界压力分布下进行飞行器邻近场cfd模型的气动分析，得到球面边界的流量分布，并将该流量分布与步骤a中的流量分布进行比较，若不相等，则执行
步骤a；若相等，则终止迭代，由此得到飞行器的气动力。
[0057]
实施例2：
[0058]
以二阶中心差分格式cfd方法为例，球面气动力降阶模型与飞行器邻近场cfd模型的耦合方法如下：
[0059]
二阶中心差分格式其离散形式的控制方程为：
[0060][0061]
式中，v是网格单元体积，n是与该网格单元共面网格单元总数，w＝[ρ ρu ρv ρw ρe]
t
是守恒流量变量，hc＝[ρv ρuv n
x
p ρvv n
y
p ρwv n
z
p ρhv]
t
是对流通量，h
v
为粘性通量，p是静压，ρ是密度，v＝n
x
u n
y
v n
z
w是速度，为焓，e为流动内能。
[0062]
按照二阶中心差分格式cfd模型，其流场变量存储在网格单元的形心上(如附图2所示的三角形形心点i、j1、j2和j3)。然而，对流通量和粘性通量的计算却需要网格(网格i
‑
j)的面心值，如k1、k2、k3。当采用二阶以上差分格式时，面心值由网格面左右两侧单元体心值构造，例如：面心值k1可表示为：用球面气动力降阶模型计算出交界面附近单元的体心值，同飞行器邻近场cfd模型交界面体心值一起，计算出交界面心值，传递给交界面的飞行器邻近场cfd模型的面心。
[0063]
由此可知，在二阶中心差分格式时，只需要紧邻交界面的两侧单元的体心值，因此，球面气动力降阶模型只需要紧邻交界面的两侧单元的体心值。如果采用更高阶的数值格式，面心值的构造会用到更多临近网格单元的体心值，球面气动力降阶模型也需要相应提供。
[0064]
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。