CN104504174B - 一种适于流固耦合数值模拟的自适应网格控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种适于对实际伞降空投过程进行流固耦合数值模拟的自适应网格控制方法，该方法通过充分利用ALE网格的自由变换特性来对运动中降落伞周围的局部流场进行自适应跟踪，从而克服现有数值模拟方法中空间固定的流场网格对伞降空投运动范围的限制，并有效减小计算量，实现对伞降空投大范围运动过程快速、高精度的流固耦合数值模拟。
Description
技术领域
本发明涉及流固耦合数值模拟的流场网格控制领域，尤其是一种适于流固耦合数值模拟的自适应网格控制方法。
背景技术
降落伞由于具有重量轻、体积小、费效比高等特点，因此在人员空降、装备空投、飞行器回收和航弹稳定等方面有着广泛的应用。为了降低降落伞系统改型和设计过程中的试验样本，缩短设计周期，常需要借助于数值模拟。但是降落伞的开伞充气过程是一个涉及柔性织物大变形的非定常流场-结构耦合过程，其固有的复杂气动特性给数值仿真带来了很大困难。
目前，现有针对降落伞流场的数值模拟均以降落伞在开伞运动过程中速度始终保持不变为假设前提，即只能对风洞吹风形式的“无限质量”开伞过程进行仿真计算，无法考虑实际伞降空投过程中物伞系统的速度大小和方向变化。此外，近年来出现的ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法的降落伞流固耦合仿真技术虽然能够考虑伞系统运动过程中速度的变化，但是该方法需要对物伞系统的整个运动区域建立空间固定的流场网格，因此计算量直接受到物伞系统的运动范围限制，只能对短时间、小范围内的物伞运动进行计算，无法有效应用于长时间、大运动范围的实际伞降空投过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种适于对实际伞降空投过程进行流固耦合数值模拟的自适应网格控制方法，该方法通过充分利用ALE网格的自由变换特性来对运动中降落伞周围的局部流场进行自适应跟踪，从而克服现有数值模拟方法中空间固定的流场网格对伞降空投运动范围的限制，并有效减小计算量，实现对伞降空投大范围运动过程快速、高精度的流固耦合数值模拟。
为解决上述技术问题，本发明提供一种适于流固耦合数值模拟的自适应网格控制方法，包括如下步骤：
（1）对空投物伞系统模型和伞衣周围局部空间进行网格划分，并以网格重叠的方式获得整体流固耦合模型；空投物伞系统模型各部件的网格采用拉格朗日物质坐标系描述（Lagrangian Formulation），具体结构组成和网格类型根据结构各部件受力特点决定；例如，对于伞衣等织物材料应采用膜元描述的壳单元，对于加强带、伞绳、吊带等仅能承受拉力的部件可使用离散梁元描述的绳索单元或带单元；伞衣周围局部空间流场网格采用ALE任意坐标系描述（ALE Formulation），并对降落伞伞衣附近和尾流区域进行局部网格加密；
（2）根据实际空投条件设定相应大气参数，并由空投速度确定伞衣初始外形以及整体流固耦合模型的初始运动速度；
（3）在单伞伞绳汇交点或多伞连接绳汇交点处建立ALE参考坐标系实现流场网格的自适应平移、旋转和缩放控制；采用单伞的空投过程为：流场网格的平移速度和方向根据伞绳汇交点的速度矢量确定，流场网格的空间姿态根据伞绳汇交点至降落伞顶孔中心点的速度矢量确定，流场网格的径向缩放根据伞衣投影面积大小确定；采用群伞的空投过程：流场网格的平移速度和方向根据各伞连接绳汇交点的失径确定，流场网格的空间姿态根据投物连接带汇交点至各伞连接绳汇接点的失径确定，流场网格的径向缩放根据各具伞伞衣的投影面积范围确定；流场计算域外表面均设为无反射边界条件，来流速度由流场网格在空间的运动自行产生；
（4）以显式时间推进的方法进行流固耦合数值模拟，在每一时间步内，伞衣结构和流场之间的界面耦合力通过罚函数方法（Penalty Method）或浸侵边界方法（ImmersedBoundary Method）进行计算；降落伞在耦合力作用下的变形和运动通过有限元方法求解；伞周围局部流场的变化情况通过有限差分或有限体积方法求解N-S方程得到。
本发明的有益效果为：（1）通过对ALE流场网格的自由变换控制实现了流场计算域对空投过程中降落伞的自适应跟踪，克服了现有数值模拟方法中空间固定的流场网格对于伞降空投运动范围的限制；（2）流场网格自适应跟踪的引入能够将计算域始终限制在物伞系统周围的合适范围内，因此能够有效的降低流场网格数量，减小流固耦合计算量；（3）流场网格在跟随物伞系统平动和转动的同时也在径向随着伞衣投影面积的变化而自动缩放，这一方面保证了流场网格和结构网格始终保持合适的相对密度，另一方面也使得网格初始加密区域能够始终覆盖降落伞周围的局部流场而不受物伞运动系统方式和范围限制，有助于提高数值计算精度。
附图说明
图1是本发明的单伞空投开伞过程流固耦合数值模拟的示意图，（a）-（c）对应开伞过程中三个不同阶段流场网络和物伞系统的状态。
图2是本发明的两具圆伞组成的群伞系统空投开伞过程流固耦合数值模拟的示意图，（a）-（c）对应开伞过程中三个不同阶段流场网格和物伞系统的状态。
具体实施方式
如图1所示，单伞物投系统由于一般具有较大的初始水平速度，因此在整个空投开伞过程（a）-（c）中经历较大的姿态和位置变化。通过将伞绳汇交点的速度矢量赋予流场网格，可以实现流场网格对物伞系统整个运动范围的跟踪；另一方面，通过将伞绳汇交点至降落伞顶孔中心点的失径用于确定流场网格的空间姿态，可以保证图（a）-（c）的过程中各个阶段流场中轴线都与物伞系统轴线近似一致；与此同时，在（a）-（c）的过程中流场网格的径向尺寸根据伞衣投影面积大小进行自动缩放，这使得降落伞在充气展开的整个大变形过程中，流场网格始终具有相对合适的尺寸来捕捉伞衣周围的流动细节。
如图2所示，群伞-投物系统在空投过程中除了经历整体物伞系统的姿态和位置变化之外，还存在着各伞之间的相对摆动。通过应用与上述单伞-投物系统实施例中一致的方法可以实现流场网格对群伞-投物系统整体运动的自适应跟踪；另一方面，通过将各具伞衣的投影面积范围作为流场网格径向尺寸的缩放依据，保证了在开伞过程（a）-（c）各个阶段流场网格都能根据各伞之间的相对摆角情况作出合适的尺寸调整。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。
Claims (1)
1.一种适于伞降空投过程流固耦合数值模拟的自适应网格控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）对空投物伞系统模型和伞衣周围局部空间进行网格划分，并以网格重叠的方式获得整体流固耦合模型；空投物伞系统模型各部件的网格采用拉格朗日物质坐标系描述，具体结构组成和网格类型根据结构各部件受力特点决定；伞衣周围局部空间流场网格采用ALE任意坐标系描述，并对降落伞伞衣附近和尾流区域进行局部网格加密；
（2）根据实际空投条件设定相应大气参数，并由空投速度确定伞衣初始外形以及整体流固耦合模型的初始运动速度；
（3）在单伞伞绳汇交点或多伞连接绳汇交点处建立ALE参考坐标系实现流场网格的自适应平移、旋转和缩放控制；采用单伞的空投过程为：流场网格的平移速度和方向根据伞绳汇交点的速度矢量确定，流场网格的空间姿态根据伞绳汇交点至降落伞顶孔中心点的失径确定，流场网格的径向缩放根据伞衣投影面积大小确定；采用群伞的空投过程：流场网格的平移速度和方向根据各伞连接绳汇交点的失径确定，流场网格的空间姿态根据投物连接带汇交点至各伞连接绳汇接点的速度矢量确定，流场网格的径向缩放根据各具伞伞衣的投影面积范围确定；流场计算域外表面均设为无反射边界条件，来流速度由流场网格在空间的运动自行产生；
（4）以显式时间推进的方法进行流固耦合数值模拟，在每一时间步内，伞衣结构和流场之间的界面耦合力通过罚函数方法或浸侵边界方法进行计算；降落伞在耦合力作用下的变形和运动通过有限元方法求解；伞周围局部流场的变化情况通过有限差分或有限体积方法求解N-S方程得到。
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