CN108090262A - 基于sph理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，其包括：步骤一：建立水域背景网格，网格长度为kl+△；步骤二：设定△的上限值，用于防止引人错误粒子对；步骤三：根据水流动的物理规律，设定△的下限值。本发明的基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法只需要在运算过程中增加简单的判断语句即可实现，工作量很小、且计算准确。

Description

基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法

技术领域

本发明属于直升机飞行动力学与飞行载荷计算领域，尤其涉及一种基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法。

背景技术

基于光滑粒子流体动力学(SPH)理论建立的直升机水上迫降载荷计算方法可以对三维全尺寸直升机在不同工况下着水的过载、蒙皮表面压力、姿态等进行计算。SPH方法的基础是积分插值理论，将计算的水域流场离散为一系列粒子，粒子具有速度、内能和质量参数。流场中的任意位置上的参量都可以利用周围各粒子参量进行“核函数”的积分求得。最后将流体力学基本方程化为SPH数值计算用的方程组，粒子按照这些计算方程求解结果运动。然而，SPH求解过程消耗在粒子对构建上的时间比较长，并且粒子对也因为粒子的位置改变而动态变化，因此每个计算时刻都需要重新搜索临近粒子，重建粒子对信息。因此，SPH解算中的一个重要问题是如何尽可能地缩短计算时间、提高计算效率。

对任一粒子而言，其核函数有一个支持域，在支持域内的其他粒子都将与该粒子发生作用，都是该粒子的临近粒子。临近粒子会随时间变化而改变，因此每一时刻都必须进行临近粒子的搜索，才能确定并计算粒子对之间的相互作用。

链表法是一种常用的粒子对构建方法，在实现链表算法时，要在问题域内建立一背景网格，如图1中的虚线网格所示。网格单元的空间大小应选取与支持域的空间大小一致。若光滑函数支持域的长度为kl，则网格单元的长度也必须设置为kl。对于水域内的任一粒子，其相邻的粒子只能在同一网格或者相邻的单元内。当k＝2时，在一维、二维、三维空间里的搜索范围分别是在3、9、27个单元内。通过这种方法将问题的复杂阶数由O(N2)降低到O(N)，但仍存在每一时刻都必须重新构建粒子对的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，用于解决上述问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，其包括

步骤一：建立水域背景网格，网格长度为kl+△；

步骤二：设定△的上限值，用于防止引人错误粒子对；

步骤三：根据水流动的物理规律，设定△的下限值。

进一步的，设定△的上限值采用的公式为：Δ＝min(x₁l,2n|V_max|Δt)

上式中，xl为系数，n为整数，V_max表示粒子速度的最大值，△t表示两次构建粒子对时完成的物理计算时间。

进一步的，设定△的下限值采用的公式为：Δ＝max(x₂l,min(x₁l,2n|V_max|Δt))。

进一步的，确定△值大小的方法如下：

(1)首先，设定△的初始值为x₁l，构建粒子对，此时记录每个粒子的初始位置；

(2)之后，记录下一时刻的每个粒子的位置，并计算每个粒子相对于初始位置时的粒子移动距离d，并找出最大粒子移动距离d_max，

若d_max＜0.5ε，则此时△符合要求并继续下一时间步计算；

若d_max＞0.5ε，则重新构建粒子对，并记录时间步数n，并根据此时的水流最大速度V_max及△的下限值公式计算出△；

(3)最后，重复步骤2，求出整个过程中的△。

本发明的基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法只需要在运算过程中增加简单的判断语句即可实现，工作量很小、且计算准确。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术中的粒子对示意图。

图2为本发明的粒子对构建流程图。

图3为本发明的直升机滑行中水粒子效果图。

图4为本发明的直升机静止时水粒子效果图。

图5为本发明的某工况下粒子重构间隔图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。

本发明在水域内建立背景网格时，所取的长度为kl+Δ，因此Δ的大小决定了网格单元空间的大小以及重新构建粒子对的频率。如果Δ＝0则是标准的链表法用于查找最近粒子，所构建的粒子对在每一时间步都必须重构。如果Δ选择的过大，则所构建的粒子对数量又会非常多并且可能引入错误的粒子对，导致占用的计算机内存和计算时间增加，计算精度降低。Δ的选取好坏决定了精算结果的优劣，要在背景网格长度和构建频率之间找到一个合理值是本方法的目的。

如图2所示，粒子对重新构建主要原因是粒子的运动导致的，因此本发明中以粒子的运动速度为参考，使得在构建粒子对后接着的Δ左右个时间步内不用重新构建粒子对，并且设置一个上限值保证不会引入错误的粒子对：

Δ＝min(x₁l,2n|V_max|Δt)

上式中，xl为系数，n为整数，V_max表示粒子速度的最大值，△t表示两次构建粒子对时完成的物理计算时间。流动平缓时粒子的运动速度非常小，粒子的空间位置变化不明显，粒子对重新构建的频率应该减小。然而上式会导致△很小，粒子对重新构建的频率增大，因此必须要限制△的下线值保证△的值确定符合物理规律：

△值大小确定方法如下：

(1)计算初始时刻取Δ＝x₁l，构建粒子对，记录每个粒子的空间位置；

(2)记录下一时刻粒子的位置，并计算相对于上次构建粒子对时粒子移动距离d，找出最大距离d_max。

若d_max＜0.5ε，则继续下一时间步计算(此时确定了Δ的值)，

若d_max＞0.5ε，则重新构建粒子对，并记录此刻完成计算的时间步数n。找出此刻粒子运动的最大速度V_max带入Δ＝max(x₂l,min(x₁l,2n|V_max|Δt))并更新Δ的值。

(3)将n重置为零，重复过程2，直到计算完成。

如图3和图4，采用本发明的粒子对构建方法构建的直升机滑行中水粒子效果图和直升机静止时水粒子效果图，及如图5所示的粒子重构间隔图。在实际的直升机着水载荷计算过程中粒子对重新构建的频率明显降低。直升机触水后在水面上滑行，水受到直升机的冲击后，产生飞溅，粒子的运动非常剧烈，此时粒子对重构频率一般小于n，随后由于水的阻力作用直升机运动逐渐趋于静止，水面也趋于静止，粒子运动平缓，此时粒子对的重构频率大于n。

本发明的基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法只需要在运算过程中增加简单的判断语句即可实现，工作量很小、且计算准确。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，其特征在于，所述粒子对构建方法包括

步骤一：建立水域背景网格，网格长度为kl+△；

步骤二：设定△的上限值，用于防止引人错误粒子对；

步骤三：根据水流动的物理规律，设定△的下限值。

2.根据权利要求1所述的基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，其特征在于，设定△的上限值采用的公式为：Δ＝min(x₁l,2n|V_max|Δt)

上式中，xl为系数，n为整数，V_max表示粒子速度的最大值，△t表示两次构建粒子对时完成的物理计算时间。

3.根据权利要求2所述的基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，其特征在于，设定△的下限值采用的公式为：Δ＝max(x₂l,min(x₁l,2n|V_max|Δt))。

4.根据权利要求3所述的基于SPH理论直升机着水载荷计算的粒子对构建方法，其特征在于，确定△值大小的方法如下：

(1)首先，设定△的初始值为x₁l，构建粒子对，此时记录每个粒子的初始位置；

(2)之后，记录下一时刻的每个粒子的位置，并计算每个粒子相对于初始位置时的粒子移动距离d，并找出最大粒子移动距离d_max，

若d_max＜0.5ε，则此时△符合要求并继续下一时间步计算；

若d_max＞0.5ε，则重新构建粒子对，并记录时间步数n，并根据此时的水流最大速度V_max及△的下限值公式计算出△；

(3)最后，重复步骤2，求出整个过程中的△。