CN105069245B - 基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，包括以下步骤：1)确定三维流场；2)确定激波曲面，拟合前缘曲线；3)采用多重搜索技术进行流线追踪生成乘波体下表面，同时，通过对激波出口形线的缩放调整，自动获得长度给定的乘波体外形。本发明的有益效果如下：(1)突破现有设计方法局限于二维或拟二维流场的情况，使用激波装配法精确计算三维流场，并准确分辨激波曲面。(2)针对三维乘波体设计中的海量数据寻点问题，使用八叉树将数据剖分为多个子分区，结合虚拟边界法可以大大提高寻点效率强。(3)基于激波装配法的三维流场扩大了设计空间，并与基于多重搜索的流线追踪法结合大大提高了追踪效率，满足飞行器布局的快速设计要求。
Description
技术领域
本发明属于飞行器设计技术领域，特别涉及一种基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法。
背景技术
高超声速飞行器是应对未来战争、突破导弹防御系统的重要武器系统，具有极高速的远程打击和突防能力，能够做到“全球即时到达”，成为当今世界各国竞相研制和发展的热门武器系统，具有极其重要的军事价值。无论哪一类近空间高超声速飞行器，都将高速、高机动性和大射程作为其主要的发展目标。
乘波体布局因其高升阻比特性从低阻力外形中脱颖而出，成为研究最为广泛的高超声速飞行器气动外形之一，包括美国的波音公司、诺恩洛普公司等都已经决定采用乘波体方案作为高超声速飞行器的构型基础，并进行了多次飞行试验，得到了很大的技术进展。典型的乘波体设计方法分为两大类：正设计和反设计方法。正设计方法是有某几何外形求得基本流场，通过FCT与激波的交线确定乘波体前缘，然后进行流线追踪获得乘波构型。反设计方法是从激波形状出发反向迭代求解流场，再根据流场追踪得到乘波外形，比较典型的是密切锥方法。传统的乘波设计方法中，正设计方法比如锥导乘波体等是基于拟二维流场，实现简单，流场模拟准确，但是激波形状相对固定，存在升阻比极限，限制了乘波构型的设计空间；吻切锥方法等反设计方法虽然可以指定激波形状，扩大了设计空间，但是流场一般采取简单流场近似模拟的计算方法，忽略了横向流动，适用范围小使乘波体外形难以精确保证乘波性能。为了规避传统乘波体设计方法的局限性，一个较好的思路是建立适合于一般三维流场的乘波理论。乘波设计一般从激波面出发，因此需要准确分辨三维流场的激波面。同时使用CFD方法得到的流场数据十分巨大，网格量从几十万到近千万不等，此时使用流线追踪法搜索和查找流场内部任意点的位置和信息是一项耗时巨大的工作，大大降低了设计效率。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，包括以下步骤：
1)确定三维流场；
2)确定激波曲面，拟合前缘曲线；
3)采用多重搜索技术进行流线追踪生成乘波体下表面，同时，通过对激波出口形线的缩放调整，自动获得长度给定的乘波体外形。
优选方案是：采用激波装配法确定三维流场。
优选方案是：所述多重搜索技术包括以下步骤：
a、网格划分：以八叉树为数据结构，首先使用一个能够包括所有的数据点的区域，然后将数据点存入所述区域，如果点个数超过预先设定的阈值，则将所述区域分为八个子区域。重复上述步骤，直到所有区域的点均不超过阈值；
b、点搜索与插值：首先查找点所在的子分区，然后在子分区内提取数据点信息自适应的使用反距离加权法插值目标点的信息。
优选方案是：所有的叶子节点中存有完成的数据点信息。
优选方案是：为了节省内存空间，如果节点不是叶子节点，则在剖分过程中释放此节点存储的数据点信息。
优选方案是：结合虚拟边界和自适应反距离加权法加快寻点效率。
本发明的有益效果如下：
(1)突破现有设计方法局限于二维或拟二维流场的情况，使用激波装配法精确计算三维流场，并准确分辨激波曲面。
(2)针对三维乘波体设计中的海量数据寻点问题，使用八叉树将数据剖分为多个子分区，结合虚拟边界法可以大大提高寻点效率，与广泛使用的stencil-walk等方法相比，此方法稳定性更强。
(3)基于激波装配法的三维流场扩大了设计空间，并与基于多重搜索的流线追踪法结合大大提高了追踪效率，满足飞行器布局的快速设计要求。
附图说明
图1为实施例1的高超声速椭锥网格分布图；
图2为实施例1的乘波体的前缘线示意图；
图3为实施例1的乘波体示意图；
图4为实施例2的高超声速尖锥网格分布图；
图5为实施例2的乘波体示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提供了一种基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，包括以下步骤：
1)采用激波装配法确定三维流场；
为了设计具有优良性能的乘波飞行器，需要计算一般几何形状的高超声速流场，比如，椭锥，带攻角的尖锥等。在确定了几何形状之后需要计算得到它的流场，带激波的流场计算是非常复杂的，目前常用的方法有捕捉法和装配法。激波捕捉法无需事先知道激波的位置，激波是在求解过程中自动捕捉得到的。但这种方法容易在激波附近产生非物理振荡，并且激波位置常常跨越若干个流场网格，难以应用到乘波体设计中。使用激波装配法计算带激波的流场，具有较高的精度，并且容易分辨激波的位置和形状，非常适用于三维乘波体的设计。
2)确定激波曲面，拟合前缘曲线；
3)采用多重搜索技术进行流线追踪生成乘波体下表面，同时，通过对激波出口形线的缩放调整，自动获得长度给定的乘波体外形。
乘波体设计是使用流线追踪法自动追踪得到，在这个过程中，寻点并插值点的信息是耗时最多的工作。多重搜索技术的基本原理是将网格点分到多个子区，每个子区存有一定数量的数据点，在进行搜索时可以首先定位到点所在的子区域，然后再在相应的区域中使用合适的空间内插方法进行插值。此方法的实现包括两部分：a)网格剖分：以八叉树为数据结构，首先使用一个足够大的区域包括所有的数据点，将数据点存入，如果个数超过所设定的阈值，将此区域细分为八个区域。重复上述过程直到所有区域的点均不超过阈值，数据分区完成，并且所有的叶子节点中存有完整的数据点信息。为了节省内存空间，如果节点不是叶子节点，则在剖分过程中释放此节点存储的数据点信息。b)点搜索与插值：首先查找点所在的子分区，再在子分区内提取数据点信息自适应的使用反距离加权法插值目标点的信息。为了方便插值子分区边界出的信息，使用虚拟边界法在子分区内存储相邻分区边界的信息。
实施例1
首先以钝头椭锥体为例，试用激波装配法计算流场，然后进行乘波体设计。使用激波装配法计算得到的流场网格数为110万左右，网格分布见图1，其中最外层网格就是激波曲面。如图2所示，以空间的一条曲线作为FCT，在所述曲线上选取6个控制点控制FCT曲线，所述6个控制点的坐标如表1所示，使用二维多重剖分结合曲面样条方法投影到所述激波曲面作为乘波体的前缘线。
以八叉树为数据结构，采用多重搜索技术进行流线追踪生成乘波体下表面。首先使用一个能够包括所有的数据点的区域，然后将数据点存入所述区域，如果点个数超过预先设定的5000个，则将所述区域分为八个子区域。重复上述步骤，直到所有区域的点均不超过5000个。最后采取流线追踪法向后推进，推进过程中流场中一点的信息通过所述的多重搜索算法快速求得，最终得到图3的乘波外形，耗时约0.3S，满足飞行器快速设计的效率需求。
升阻比为11.61，容积率为0.134。表1钝头椭锥乘波体设计的FCT的控制点坐标
表1钝头椭锥乘波体设计的FCT的控制点坐标
| 控制点坐标 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| X | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| Y | -20.0 | -20.0 | -25.0 | -27.0 | -28.0 | -30.0 |
| Z | 0.0 | 5.0 | 10.0 | 15.0 | 20.0 | 25.0 |
实施例2
首先以带攻角的锥型流为例，试用激波装配法计算流场，然后进行乘波体设计。使用激波装配法计算得到的流场网格数为123万左右，网格分布见图4，其中最外层网格就是激波曲面。选取5个控制点控制FCT曲线，所述个控制点的坐标如表2所示，使用二维多重剖分结合曲面样条方法投影到所述激波曲面作为乘波体的前缘线。
以八叉树为数据结构，采用多重搜索技术进行流线追踪生成乘波体下表面。首先使用一个能够包括所有的数据点的区域，然后将数据点存入所述区域，如果点个数超过预先设定的5000个，则将所述区域分为八个子区域。重复上述步骤，直到所有区域的点均不超过5000个。最后采取流线追踪法向后推进，推进过程中流场中一点的信息通过所述的多重搜索算法快速求得，最终得到图5的乘波外形，耗时约0.4S。
表2尖锥乘波体设计的FCT控制点坐标
| 控制点坐标 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| X | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| Y | -10.0 | -10.0 | -13.0 | -16.0 | -18.0 |
| Z | 0.0 | 5.0 | 10.0 | 15..0 | 20.0 |
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)确定三维流场；
2)确定激波曲面，拟合前缘曲线；
3)采用多重搜索技术进行流线追踪生成乘波体下表面，同时，通过对激波出口形线的缩放调整，自动获得长度给定的乘波体外形，其中，所述多重搜索技术包括以下步骤：
a、网格划分：以八叉树为数据结构，首先使用一个能够包括所有的数据点的区域，然后将数据点存入所述区域，如果点个数超过预先设定的阈值，则将所述区域分为八个子区域，重复上述步骤，直到所有区域的点均不超过阈值；
b、点搜索与插值：首先查找点所在的子分区，然后在子分区内提取数据点信息自适应的使用反距离加权法插值目标点的信息。
2.根据权利要求1所述的基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，其特征在于，采用激波装配法确定三维流场。
3.根据权利要求1所述的基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，其特征在于，所有的叶子节点中存有完成的数据点信息。
4.根据权利要求3所述的基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，其特征在于，为了节省内存空间，如果节点不是叶子节点，则在剖分过程中释放此节点存储的数据点信息。
5.根据权利要求1所述的基于多重搜索技术的三维乘波体快速设计方法，其特征在于，结合虚拟边界和自适应反距离加权法加快寻点效率。
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