CN102490909B - 一种飞行器多体分离模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种飞行器多体分离模拟方法，(1)对组成飞行器的每个运动物体分别独立生成各自的非结构网格；(2)按照飞行器当前时刻对应的分离状态，对所有非结构网格进行重叠网格挖洞，屏蔽不参与流场计算的网格单元，并构造重叠网格的洞边界；(3)确定重叠网格的边缘单元；(4)确定每个边缘单元的贡献单元；(5)确定从贡献单元给边缘单元的插值方法；(6)对当前时刻下飞行器的流场进行解算，并根据解算结果进行六自由度刚体运动方程计算，确定飞行器中每个运动物体的位移；(7)移动每个运动物体的非结构网格的位置，得到飞行器下一时刻的分离状态，从步骤(2)开始循环执行，直至达到预先设定的时刻。

Description

一种飞行器多体分离模拟方法
技术领域
本发明是一种飞行器的多体分离模拟方法，用于模拟和解决飞行器投弹、级间分离、武器抛洒等多体分离问题。
背景技术
当前的计算流体力学CFD技术已经能够较为精确的计算飞行器的静态气动特性和流场，定常状态的CFD计算已经成为飞行器工程设计不可缺少的手段。但是对于那些存在强烈非定常效应的流动，比如鸟类的扑翼、控制面的偏转、多体之间的相对运动等，CFD的精确模拟仍然存在困难，这是由于这些强烈的非定常效应是由壁面边界的快速运动和大的位移所导致的。尽管当前的CFD技术有能力处理此类的非定常运动，但在计算效率、精度和工程应用方面对运动边界的非定常CFD模拟仍然有大量的工作要做。
对运动边界的相对运动，如级间分离等此类多体分离问题和舵面等控制面的偏转问题等，此类数值模拟需要CFD数值模拟软件具备处理网格运动和变形的能力。处理网格运动和变形的方法通常分为两大类，分别是重叠网格和网格变形。无论是多体分离还是控制面偏转，它们的运动主要是刚体运动，特别是多体分离，不同物体之间的相互运动位移较大，如果采用网格变形的方法，大位移时势必要对网格进行重构，增加了解决问题的难度。重叠网格方法其各个网格内部的拓扑结构也不会随着物体的相对运动而改变，因此基于重叠网格方法的数值模拟方法特别适合于处理物体之间的相对运动。
最早的重叠网格是基于结构网格而发展的，目的是用于航天飞机之类复杂外形的网格生成，随后逐渐的用于更多的方面。基于结构网格的重叠网格方法虽然部分改善了网格生成的难度，但仍然需要使用者大量的人工干预和较为丰富的使用经验，极大地限制了和抵消了重叠网格所带来的优点。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种飞行器的多体分离模拟方法，可方便的与现有技术方法结合，解决飞行器在投弹、级间分离、武器抛洒等情况下的多体分离模拟问题。
本发明的技术解决方案是：一种飞行器多体分离模拟方法，步骤如下：
(1)对组成飞行器的每个运动物体分别独立生成各自的非结构网格；
(2)按照飞行器当前时刻对应的分离状态，对步骤(1)中生成的所有非结构网格进行重叠网格挖洞，屏蔽不参与流场计算的网格单元，并构造重叠网格的洞边界；
(3)根据步骤(2)中构造的洞边界，确定重叠网格的边缘单元；
(4)确定每个边缘单元的贡献单元，所述的贡献单元即为边缘单元提供插值信息的位于其他非结构网格的任意流场单元；
(5)确定从贡献单元给边缘单元的插值方法；
(6)对当前时刻下飞行器的流场进行解算，并根据解算结果进行六自由度刚体运动方程计算，确定飞行器中每个运动物体的位移；
(7)根据步骤(6)中确定的每个运动物体的位移，移动每个运动物体的非结构网格的位置，得到飞行器下一时刻的分离状态，将该分离状态作为新的当前时刻的分离状态从步骤(2)开始循环执行，直至达到预先设定的时刻。
所述步骤(2)中的构造重叠网格的洞边界步骤如下：
(2.1)构造每个非结构网格边界面的交替数据树ADT数据结构，对每个独立的非结构网格，将它的边界面插入到对应的ADT数据结构中；
(2.2)对每个网格单元，在其他非结构网格的ADT数据结构中查找是否有可能与之相交的壁面；如果有，则将该单元标记为切割单元；
(2.3)在完成所有的切割单元判断后，从位于物理边界的单元开始，使用填充算法快速的标定流场单元；
(2.4)流场单元与切割单元相接的面形成洞边界。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明所用到的非结构重叠网格方法具有挖洞速度快、占用内存小；贡献单元查找迅速；贡献单元查找过程中没有额外的边界处理问题；对超过2个以上的多体分离模拟可以很方便的扩展。
(2)传统的非结构重叠网格方法使用单元到不同网格的距离作为洞边界构造和贡献单元查找的准则。这种方法的优点是在查找贡献单元的同时就得到了洞边界。其缺点在于需要对所有的单元都要进行贡献单元的查找，而且在边缘单元和贡献单元的空间分布不规则时容易失败。在本发明中，洞边界的构造和贡献单元的查找是分开进行的，只需要对数量有限的边缘单元进行贡献单元的查找，极大的降低了重叠网格的构造时间。
(3)本发明重叠网格洞边界的构造时采用ADT数据结构存储边界面，可以快速的进行查找判断，同时仅增加很少的内存。
(4)本发明所介绍的方法与已有的方法相比，使用的流场网格可不限于四面体、三棱柱或六面体网格，支持任意多面体网格。挖洞方法只需要进行局部的单元相交判断。只对有需要的单元查找贡献单元。贡献单元查找过程中不涉及边界处理。很容易扩展到超过2个的网格系统。
附图说明
图1为本发明方法流程简图；
图2为贡献单元查找过程中遇到边界时的处理；
图3为本发明的方法中边缘单元确定和贡献单元查找起始位置的获得方法示意图；
图4为应用本发明的挖洞效果图；
图5为采用本发明进行的具体投弹实例结果；
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明的实现过程。本发明一种飞行器多体分离模拟方法，如图1所示方法步骤如下：
(1)对组成飞行器的每个运动物体分别独立生成各自的非结构网格；非结构网格中的网格形状不限于四面体、三棱柱或六面体网格，可以为任意多面体网格。
(2)按照飞行器当前时刻对应的分离状态，对步骤(1)中生成的所有非结构网格进行重叠网格挖洞，屏蔽不参与流场计算的网格单元，形成重叠网格的洞边界；
图4为应用本发明挖洞效果图，图4a为机翼和挂架的网格，图4b为投放物的网格。灰色的是流场网格，黑色的是挖洞结束后边缘单元的网格。
重叠网格的一个主要挑战是洞边界的构造。快速、鲁棒的洞边界搜索算法是重叠网格应用于实际的基础。在研究中，使用了如下的构造方法：
(2.1)构造每个非结构网格边界面的交替数据树ADT数据结构，对每个独立的非结构网格，将它的边界面插入到对应的ADT数据结构中。ADT数据结构是公知的技术，其构造、插入和查找有标准的方法这里不进行赘述。
(2.2)对每个网格单元，在其他非结构网格的ADT数据结构中查找是否有可能与之相交的壁面；如果有，则将该单元标记为切割单元。由于采用了ADT数据结构存储边界面，可以非常快速的进行近似相交判断，极大的提高了查找效率；
(2.3)在完成所有的切割单元判断后，从位于物理边界的单元开始，使用填充算法快速的标定流场单元；
(2.4)流场单元与切割单元相接的面形成洞边界。
本发明由于使用了高效的ADT数据结构，切割单元的查找非常快速。以两个重叠的100万量级的网格为例，搜索切割单元的时间少于1秒。又由于ADT结构仅对边界面构造，内存的增加很小，约增加不作重叠计算时所需内存的2％。
(3)根据步骤(2)中构造的洞边界，确定重叠网格的边缘单元；
边缘单元是各个独立的非结构网格之间的信息交流渠道。将与切割单元相邻的流场单元标记为边缘单元。为了与用于流场求解的非定常雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)的空间2阶精度相匹配，需要将与这些边缘单元相连的流场单元也标记为边缘单元。
采用射线法判断边缘单元是否位于其他网格的内部还是外部，同时获得贡献单元查找的起始位置。如图3，点M为边缘单元的中心，需要在网格区域N中查找贡献单元。首先从边缘单元中心发出一条射线，计算该射线与网格边界的交点数量，当交点个数为偶数时，表明边缘单元不在该网格区域内；当交点个数为奇数时，表明边缘单元在该网格区域内，同时将离边缘单元中心最近的交点所位于的单元作为贡献单元查找的起始位置。
(4)确定每个边缘单元的贡献单元，所述的贡献单元即为边缘单元提供插值信息的位于其他非结构网格的任意流场单元；
贡献单元的确定采用的算法是基于邻居到邻居的查找方法。这种方法将三维的搜索简化为准一维的搜索，极大地提高了搜索效率。如图2所示，图中的C点为边缘单元的中心，需要在图2的网格中查找相应的贡献单元，以网格中的单元A作为贡献单元查找的起始位置，通过邻居到邻居的查找方法可以很迅速的确定C点在网格中的位置，进而得到以C点为单元中心的边缘单元在该网格中的贡献单元。
(5)确定从贡献单元给边缘单元的插值方法；
从贡献单元给边缘单元插值有多种方法。常用的方法是反距离权重平均和最小二乘。最小二乘可以实现插值的2阶精度，反距离权重平均精度低于2阶，但速度较快。实际使用中选用的是反距离权重平均插值，插值模板的选取是贡献单元和与该贡献单元相邻的流场单元。
由于不同网格之间的尺度分布不一致，导致部分边缘单元无法找到贡献单元，我们将这种单元称之为孤立单元，这种情况在两个物体非常靠近或非常远离时特别突出。当遇到孤立单元时，它的流场变量值采用离它最近流场单元的值以保证整个流场的求解能够继续进行。
(6)对当前时刻下飞行器的流场进行解算，并根据解算结果进行六自由度刚体运动方程计算，确定飞行器中每个运动物体的位移；
上述流场的解算采用目前常用的非定常双时间步方法求解非定常雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)，伪时间步推进采用隐式SGS方法求解，流场的更新仅对流场单元进行，被屏蔽的内部单元不进行流场更新，边缘单元的值通过插值得到。
六自由度(DOF)刚体运动方程的求解采用多步Runge-Kutta法计算。
本发明同时将非定常雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)与6自由度刚体运动方程(6DOF-RBD)耦合，可有效的模拟具有相对运动的多体流场。通过对RANS的求解获得飞行器各个部件的气动力，该气动力作为6DOF-RBD的输入用于求解飞行器各个部件的运动姿态，包括线位移、线速度、角位移和角速度。
((7)根据步骤(6)中确定的每个运动物体的运动姿态，移动每个运动物体的非结构网格的位置，得到飞行器下一时刻的分离状态，将该分离状态作为新的当前时刻的分离状态从步骤(2)开始循环执行，直至达到预先设定的时刻。例如预先设定的收敛条件是时间t＝10s，迭代步长Δt＝0.1s，迭代100次后达到预先设定的时刻。
图5为采用本发明进行的具体投弹实例结果，显示了不同时刻投放物的位置。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (1)

1.一种飞行器多体分离模拟方法，其特征在于步骤如下：
(1)对组成飞行器的每个运动物体分别独立生成各自的非结构网格；
(2)按照飞行器当前时刻对应的分离状态，对步骤(1)中生成的所有非结构网格进行重叠网格挖洞，屏蔽不参与流场计算的网格单元，并构造重叠网格的洞边界；所述的构造重叠网格的洞边界步骤如下：
(2.1)构造每个非结构网格边界面的交替数据树ADT数据结构，对每个独立的非结构网格，将它的边界面插入到对应的ADT数据结构中；
(2.2)对每个网格单元，在其他非结构网格的ADT数据结构中查找是否有可能与之相交的壁面；如果有，则将该单元标记为切割单元；
(2.3)在完成所有的切割单元判断后，从位于物理边界的单元开始，使用填充算法快速的标定流场单元；
(2.4)流场单元与切割单元相接的面形成洞边界；
(3)根据步骤(2)中构造的洞边界，确定重叠网格的边缘单元；
(4)确定每个边缘单元的贡献单元，所述的贡献单元即为边缘单元提供插值信息的位于其他非结构网格的任意流场单元；
(5)确定从贡献单元给边缘单元的插值方法；
(6)对当前时刻下飞行器的流场进行解算，并根据解算结果进行六自由度刚体运动方程计算，确定飞行器中每个运动物体的位移；
(7)根据步骤(6)中确定的每个运动物体的位移，移动每个运动物体的非结构网格的位置，得到飞行器下一时刻的分离状态，将该分离状态作为新的当前时刻的分离状态从步骤(2)开始循环执行，直至达到预先设定的时刻。
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