一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法和存储介质与流程

1.本发明涉及流体力学技术领域，尤其是涉及一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法和存储介质。


背景技术：

2.旋涡是自然界中非常常见的现象，例如自然界中的龙卷风、水流中形成的涡漩等，旋涡是流体介质运动的肌腱。在与流体力学相关的工业领域，旋涡运动也很常见并相当重要，例如，高速行驶的汽车在其周围会形成涡流，如果后方行驶的重量较轻的汽车卷入其中就可能发生失控；又比如在飞行器中，流体运动形成的旋涡流动对飞行器升力产生及稳定控制至关重要。开展旋涡运动特征研究，对发展旋涡流动的控制手段十分有益。
3.在流体力学工业领域，一般采用风洞/水洞实验或者数值仿真手段，开展流动性质和流动控制研究。在很多问题的优化过程中，进行旋涡流动控制是其中的重要一环。因此，对旋涡流动特征进行准确分析有助于研究旋涡运动的相关现象、机理和规律，并最终发展出有效的流动控制方法。
4.在以往的研究中，往往考虑旋涡涡轴为一条直线，但在实际问题中，旋涡涡轴是弯曲的，因而将涡轴作为直线来研究的研究结果往往存在较大的误差，急需发展一种更接近于旋涡真实状态的判别方法，对旋涡的流动特征进行判别，提高实验和数值仿真中旋涡运动特性分析的精度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法，能够准确地判断旋涡的流动形态。
6.s10.计算旋涡涡轴方向的特征值λ(q1),其中，为旋涡的涡轴，并以该涡轴为基础建立正交曲线坐标系，、和分别是沿、和方向的速度，、和是拉梅系数，m1是涡轴上的当地马赫数，p为压力值，ρ为流体介质的密度；s20. 基于涡轴方向的特征值判断旋涡流动形态：当时，在与涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向内；当时，在与涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向外。
7.进一步地，所述的拉梅系数为：
其中是标准正交坐标系的坐标值。
8.进一步地，当涡轴方向为或方向时，采用以下方式计算在旋涡涡轴方向或方向的特征值p(q2)或p(q3)：，，基于λ(q2)或λ(q3)采用步骤s20判断旋涡涡流形态。
9.本发明还包括一种存储介质，存储有如前所述的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法的计算机程序。
10.采用本发明的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法，相对于现有技术，至少具有以下有益效果：本发明的判别方法设定旋涡的涡轴为曲线，更加接近于真实情况，经过仿真计算，本发明基于该真实的曲线形的涡轴来计算，能够有效地判别旋涡的流动特征，为实验和数值仿真计算分析提供一种新的方法。
附图说明
11.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
12.图1是本发明实施例的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法的流程图；图2是本发明旋涡的正交曲线坐标系示意图；图3是本发明计算例的空腔计算模型示意图；图4是本发明计算例的计算结果示意图；图5是本发明计算例y=
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0.99d处截面旋涡流线形态；图6是本发明计算例y=
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0.9d处截面旋涡流线形态；图7是本发明计算例y=
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0.8d处截面旋涡流线形态。
具体实施方式
13.以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
14.一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法，如图1所示，包括以下步骤：s10.计算旋涡涡轴方向的特征值λ(q1)，
，其中，为旋涡的涡轴，并以该涡轴为基础建立正交曲线坐标系，如图2所示，、和分别是沿、和方向的速度，、和是拉梅系数，m1是涡轴上的当地马赫数，p为压力值，ρ为流体介质的密度；拉梅系数的计算方法为：其中是标准正交坐标系的坐标值。
15.s20. 基于涡轴方向的特征值判断旋涡流动形态：当时，在与涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向内；当时，在与涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向外。
16.以上是以正交曲线坐标系的q1轴为旋涡的涡轴来进行计算和判别的，本领域技术人员可以理解，实际操作过程中，可以始终将旋涡的涡轴方向定为正交曲线坐标系的q1轴，采用以上方法来判断；当然，也可以采用同样的构思，将旋涡的涡轴定义在正交曲线坐标系的q2轴或q3轴：当旋涡的涡轴方向为正交曲线坐标系的q2轴时，，其中，m2是涡轴上的当地马赫数；当时，在与涡轴方向q2垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向内；当时，在与涡轴方向q2垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向外。
17.当旋涡的涡轴方向为正交曲线坐标系的q3轴时，，其中，m3是涡轴上的当地马赫数；当时，在与涡轴方向q3垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向内；当时，在与涡轴方向q3垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向外。
18.计算例本发明将以上判别方法应用到空腔流动模拟计算中，其计算模型如图3所示，空腔的长l、宽w、深d分别为200mm、66.67mm、33.33mm，设深度为d，流动初始条件为：来流马赫数为0.9，雷诺数为5.68
×
105，气体温度为247k，即图3中inflow的输入条件，在该初始条件下，随着流动发展，就会带动空腔里面气流的运动。
19.计算结果如图4所示，可以发现在空腔底部会产生两个从底部升起的旋涡，可以看
到，两个旋涡的涡轴是弯曲的。
20.采用本申请的判别函数对旋涡状态进行分析。选取图4中右边旋涡为例，分别在、和处截取三个水平面，分别如图5、图6、图7所示。将计算数据代入本申请的计算公式中计算发现，在处，λ》0，根据判断规律，旋涡螺旋向内，与图5结果一致；在处，λ《0，根据判断规律，旋涡螺旋向外，与图6结果一致；在处，λ《0，根据判断规律，旋涡螺旋向外，与图7结果一致。以上结果表明，本发明的方法可以有效地判定涡轴为曲线的旋涡的运动状态。
21.本发明还提供一种存储介质，存储有以上所述的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法的计算机程序，包括但不限于软盘、光盘、dvd、硬盘、闪存、u盘、cf卡、sd卡、mmc卡、sm卡、记忆棒（memory stick）、xd卡等。
22.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。


技术特征：
1.一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法，其特征在于，s10.计算旋涡涡轴
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方向的特征值λ(q1),其中，为旋涡的涡轴，并以该涡轴为基础建立正交曲线坐标系，、和分别是沿、和方向的速度，、和是拉梅系数，m1是涡轴上的当地马赫数，p是压力值，ρ为流体介质的密度；s20. 基于涡轴方向的特征值判断旋涡流动形态：当时，在与涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向内；当时，在与涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向外。2.根据权利要求1所述的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法，其特征在于，所述的拉梅系数为：其中是标准正交坐标系的坐标值。3.根据权利要求1或2之一所述的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法，其特征在于，当涡轴方向为或方向时，采用以下方式计算在旋涡涡轴方向或方向的特征值λ(q2)或λ(q3)：，其中，m2是涡轴上的当地马赫数；，其中，m3是涡轴上的当地马赫数；基于λ(q2)或λ(q3)采用步骤s20判断旋涡涡流形态。4.一种存储介质，其特征在于，存储有如权利要求1-3任一所述的一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法的计算机程序。

技术总结
本发明适用于流体力学技术领域，提供了一种适用于曲线涡轴的旋涡流动形态判别方法和存储介质，建立以旋涡的涡轴为坐标轴的正交曲线坐标系，首先计算旋涡涡轴方向的特征值λ(q1),当该特征值大于0时，在与该涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向内；当特征值小于0时，在与该涡轴方向垂直的截面上，旋涡流动形态为螺旋向外。本发明提供了一种新的判别涡流流动形态的方法，基于更接近于真实的曲线形的涡轴来计算，能够有效地判别旋涡的流动特征。特征。特征。


技术研发人员：罗勇 张树海 武从海 田浩 李虎 刘旭亮 韩帅斌 王益民 马瑞轩
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：2022.04.11
技术公布日：2022/5/6