CN104572575B - 一种特大变形动态网格生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特大变形动态网格生成方法，包括基于多块对接结构网格，选择不同时刻下的变形位置，生成相应的拓扑结构相同的静态网格；根据步骤一中生成的静态网格，预估计算出任意时刻下的计算网格；对步骤二中生产的计算网格进行校正；将步骤三中得到的校正网格用于非定常计算，得到随时间变化的全流场动态网格。本发明克服了传统的基于单套静态网格的各种动态网格生成技术在特大变形情况下动态网格质量很差甚至出现交错的缺点，提高了大变形动态网格质量，本技术鲁棒性好、变形能力强、应用范围广。
Description
技术领域
本发明公开了一种特大变形动态网格生成方法，涉及计算流体力学技术领域。
背景技术
计算流体力学(CFD)是通过数值方法求解流体力学控制方程，得到流场的离散的定量描述，并以此预测流体运动规律的学科。在计算流体力学数值模拟中，需要将流场区域离散，即生成网格。网格生成的速度和质量决定了数值模拟的时间和精度，它对数值模拟的重要性不言而喻。随着计算流体力学的飞速发展，高质量、快速的动态网格生成技术成为了开展动边界非定常问题数值模拟研究的关键。
迄今为止，国内外的计算流体力学学者已经发展出了多种动态网格生成技术。传统的基于单套静态网格的各种动态网格技术其基本思想是保持网格拓扑结构不变，令远场边界保持静止，结构边界由物体运动规律给定，内场网格通过插值生成，但其只适用于小变形情况，特大变形下不易保证变形后的网格质量，甚至会出现网格交错现象，导致非定常计算失败。为进一步适应工程实际的需要，动态网格生成技术应该向通用性好、变形能力强和动态网格质量高等方向不断发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，基于多块对接结构网格，提供一种特大变形动态网格生成方法，用多套拓扑结构相同的静态网格插值出随时间变化的全流场动态网格。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种特大变形动态网格生成方法，包括以下步骤：
步骤一、基于多块对接结构网格，选择不同时刻下的变形位置，生成相应的拓扑结构相同的静态网格；
步骤二、根据步骤一中生成的静态网格，预估计算出任意时刻下的计算网格；
步骤三、对步骤二中生产的计算网格进行校正；
步骤四、将步骤三中得到的校正网格用于非定常计算，得到随时间变化的全流场动态网格。
作为本发明的进一步优选方案，在所述步骤一中，设定选择n个时刻下的变形位置，将其中第t个时刻下网格点坐标记为：
fx(t,b,i,j,k),fy(t,b,i,j,k),fz(t,b,i,j,k)；
其中，1≤t≤n，b表示网格点所在的网格块号，i,j,k表示网格点在网格块三个方向的序号；
所述步骤二中，通过拉格朗日插值算法，预估计算任意时刻下的计算网格，预估计算网格中的网格点坐标表示如下：
fx(n+1,b,i,j,k)＝a1fx(1,b,i,j,k)+a2fx(2,b,i,j,k)+…+atfx(t,b,i,j,k)+…+anfx(n,b,i,j,k)；
fy(n+1,b,i,j,k)＝a1fy(1,b,i,j,k)+a2fy(2,b,i,j,k)+…+atfy(t,b,i,j,k)+…+anfy(n,b,i,j,k)；
fz(n+1,b,i,j,k)＝a1fz(1,b,i,j,k)+a2fz(2,b,i,j,k)+…+atfz(t,b,i,j,k)+…+anfz(n,b,i,j,k)；
其中，a1,a2,…at,…an为拉格朗日插值基函数，且
所述步骤三中，通过基于扰动衰减规律的弹性变形技术对预估计算网格进行校正，校正后的网格点坐标表示如下：
其中，表示预估网格点坐标，表示静态网格点随物面边界作刚性运动的瞬态坐标值，g表示网格点序号的函数；
其中，iw,jw,kw表示物面网格点序号，if,jf,kf表示相应的远边界网格点序号。
作为本发明的进一步优选方案，步骤一中，所述多块对接结构网格，二维情况下网格为四边形，三维情况下网格为六面体。
作为本发明的进一步优选方案，步骤一中，所述拓扑结构相同包括物理域下的网格块形式、网格块数以及各网格块各个方向上的网格点数都相同。
作为本发明的进一步优选方案，步骤二中，当预估的计算网格不满足实际计算精度要求时，生成更多时刻下的静态网格用来插值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明克服了传统的基于单套静态网格的各种动态网格生成技术在特大变形情况下动态网格质量很差甚至出现交错的缺点，提高了大变形动态网格质量，鲁棒性好、变形能力强、应用范围广。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是网格拓扑结构示意图；
图3是机翼旋转角度0°的计算网格；
图4是机翼旋转角度90°的计算网格；
图5是机翼旋转角度30°的计算网格；
图6是机翼旋转角度60°的计算网格。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，本方法的流程图如图1所示：
以矩形刚性机翼，机翼剖面形状为NACA0012，展弦比为4，转轴在50％弦长处，绕转轴逆时针旋转0°-90°为例，方法包括如下步骤：
第一步，基于多块对接结构网格，网格拓扑结构设计如图2所示，共分为2个块，网格数分别为206×84×100，100×35×8。本例中选择了两个时刻变形位置，第一个时刻旋转角度为0°，第二个时刻旋转角度为90°，分别生成拓扑结构相同的静态网格，如图3和图4所示；0°变形位置网格点坐标记为
fx(1,b,i,j,k),fy(1,b,i,j,k),fz(1,b,i,j,k)，90°变形位置网格点坐标记为
fx(2,b,i,j,k),fy(2,b,i,j,k),fz(2,b,i,j,k),其中b表示网格点所在的网格块号，
i,j,k表示网格点在网格块三个方向的序号；
第二步，基于生成好的两套静态网格，通过拉格朗日插值方法预估出任意时刻所对应的计算网格。以某个时刻旋转角度30°为例说明，设a1,a2为拉格朗日插值基函数，那么该旋转角度下预估网格点坐标为：
第三步，由于两点拉格朗日插值实际上是线性插值，而机翼上每点旋转轨迹是圆，因此需要对预估网格进行校正。机翼上每点的校正量为实际位置减去预估位置，由于校正量是小量，可以通过基于扰动衰减规律的弹性变形技术对预估网格进行校正，校正网格用于非定常计算。基于扰动衰减规律的弹性变形技术遵循物面网格随动、远场固定的原则，首先生成每块区域边界上的瞬态网格，然后利用弹性变形技术快速生成各块区域内部网格点的动态坐标。校正网格点坐标用下式确定：
其中，表示预估网格点坐标，表示静态网格点随物面边界作刚性运动的瞬态坐标值。g是网格点序号的函数：
其中iw,jw,kw表示物面网格点序号，if,jf,kf表示相应的远边界网格点序号。
通过上述步骤生成机翼旋转角度30°下的计算网格，如图5所示，同理可以生成机翼旋转角度60°的计算网格，如图6所示。
上面结合附图对本发明应用于矩形刚性机翼绕转轴逆时针旋转0°-90°这一存在特大变形运动的动态网格生成过程作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式和应用范围，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本方明宗旨的前提下做出各种变化。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种特大变形动态网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、基于多块对接结构网格，选择不同时刻下的变形位置，生成相应的拓扑结构相同的静态网格；
步骤二、根据步骤一中生成的静态网格，预估计算出任意时刻下的计算网格；
步骤三、对步骤二中生产的计算网格进行校正；
步骤四、将步骤三中得到的校正网格用于非定常计算，得到随时间变化的全流场动态网格；
在所述步骤一中，设定选择n个时刻下的变形位置，将其中第t个时刻下网格点坐标记为：
fx(t,b,i,j,k),fy(t,b,i,j,k),fz(t,b,i,j,k)；
其中，1≤t≤n，b表示网格点所在的网格块号，i,j,k表示网格点在网格块三个方向的序号；
所述步骤二中，通过拉格朗日插值算法，预估计算任意时刻下的计算网格，预估计算网格中的网格点坐标表示如下：
fx(n+1,b,i,j,k)＝a1fx(1,b,i,j,k)+a2fx(2,b,i,j,k)+…+atfx(t,b,i,j,k)+…+anfx(n,b,i,j,k)；
fy(n+1,b,i,j,k)＝a1fy(1,b,i,j,k)+a2fy(2,b,i,j,k)+…+atfy(t,b,i,j,k)+…+anfy(n,b,i,j,k)；
fz(n+1,b,i,j,k)＝a1fz(1,b,i,j,k)+a2fz(2,b,i,j,k)+…+atfz(t,b,i,j,k)+…+anfz(n,b,i,j,k)；
其中，a1,a2,…at,…an为拉格朗日插值基函数，且
所述步骤三中，通过基于扰动衰减规律的弹性变形技术对预估计算网格进行校正，校正后的网格点坐标表示如下：
其中，表示预估网格点坐标，表示静态网格点随物面边界作刚性运动的瞬态坐标值，g表示网格点序号的函数；
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其中，iw,jw,kw表示物面网格点序号，if,jf,kf表示相应的远边界网格点序号。
2.如权利要求1所述的一种特大变形动态网格生成方法，其特征在于：步骤一中，所述多块对接结构网格，二维情况下网格为四边形，三维情况下网格为六面体。
3.如权利要求1所述的一种特大变形动态网格生成方法，其特征在于：步骤一中，所述拓扑结构相同包括物理域下的网格块形式、网格块数以及各网格块各个方向上的网格点数都相同。
4.如权利要求1所述的一种特大变形动态网格生成方法，其特征在于：步骤二中，当预估的计算网格不满足实际计算精度要求时，生成更多时刻下的静态网格用来插值。
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