CN110348050B - 一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法 - Google Patents

一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法 Download PDF

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Abstract

一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，属于力学仿真领域，其特征在于：通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现了局部变形/舵面操纵的流固耦合与飞行力学一体化仿真技术；实现了高保真离散；具有高精度的计算；实现了网格局部的大变形；可以考虑飞行/航行中的非线性流动特性；N‑S方程充分描述大迎角、钝体等产生非定常、非线性流动现象；可以充分考虑结构变形的非线性因素；结构力学模块可以根据计算需求，来考虑相关非线性因素的作用。

Description

一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法
技术领域
本发明属于力学仿真领域，尤其涉及一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法。
背景技术
飞机、导弹在起降、发射及飞行过程中，舵面操作与飞行姿态之间构成了闭环反馈控制；鱼雷在航行过程中，舵面操作与航行姿态之间构成了闭环反馈控制。上述局部刚体运动对整体的飞行姿态、航行姿态有了相应的影响，属于流固耦合与飞行(航行)力学的交叉学科。其仿真则需要一体化仿真技术。如考虑局部流动控制的弹性变形如飞机机翼上用于增升减阻的鼓包膨胀与回缩、鱼雷训练与校验中的利用头部气囊膨胀回收操雷等实际问题，则在流固耦合问题中，还需要考虑结构的局部变形对流场的影响。上述问题的数值模拟工作，则需要基于考虑弹性变形的流固耦合与飞行(航行)力学的一体化仿真技术来开展。
目前，国内外的数值仿真工作可以分为考虑刚体六自由度的一体化仿真和考虑弹性变形的一体化仿真两种。到目前为止，公开发表的文献中，考虑刚体六自由度的流固耦合与飞行(航行)力学一体化仿真技术，包括了以嵌套网格为代表的刚体嵌套运动方式，以及以棱柱层/四面体混合网格为代表的物体(包括棱柱层网格)的整体运动方式，以及以物体周围用六面体网格、外场用四面体网格、两者之间用金字塔网格过渡，并且物体与六面体/金字塔网格整体运动的实现方式。周围网格以网格动态层的增减或者四面体网格的重构来描述运动的影响。而考虑局部变形的流固耦合与飞行(航行)力学的一体化仿真技术，目前尚未查到公开报道的文献。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动，分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现流固耦合与飞行力学仿真。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，具体包括如下步骤：网格变形：首先根据飞行物几何模型生成网格；
通过局部流固耦合变形、舵面操纵进行网格变形计算；
网格整体运动：包括飞行物所生成网格的整体运动，以及随之进行的网格变形、重构计算，从而实现刚体运动条件下的网格整体运动；
气动力计算：通过求解三维N-S方程来模拟得到流固耦合与飞行条件下的流场，进而得到作用于整个飞行物的三分力和三分力矩；
根据气动力计算结果，分别通过飞行力学方程求解与结构力学方程求解进行运动计算与变形计算；
对运动计算与变形计算结果判断分析是否满足仿真结束条件；
满足，则停止计算；
不满足，则将运动计算结果反馈至网格整体运动；将变形计算结果反馈至局部气动弹性变形；返回网格变形，迭代计算。
通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合问题，分解为网格变形和网格整体运动。从而实现了运动与变形的分步计算。进而利用六面体/金字塔/四面体混合网格，实现了无插值误差的参数传递，实现了高保真离散和高精度计算。通过求解N-S方程计算得到了飞行(航行)运动及变形过程产生的流体作用力，并将流体作用力分别作为飞行力学计算和结构力学计算的输入参数，实现了运动的计算和变形的计算，并将运动和变形结果作为下一时间步的迭代计算的输入参数，实现整个一体化仿真的迭代计算。
充分考虑了物体飞行(航行)力学的运动计算和流固耦合的局部变形/舵面操纵计算，从而实现了真实飞行(航行)过程中同时存在的运动和局部变形/舵面操纵的计算。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述生成网格的方式包括：飞行物周围的网格为采用完全结构化六面体网格转换得到的非结构网格；在物体外场区域，采用四面体网格进行离散；在六面体网格和四面体网格之间采用金字塔网格进行过渡。对飞行物周围采用完全六面体网格进行离散，从而实现型面的高保真离散，避免了三棱柱/四面体混合网格对型面离散的精度误差；进而以数据在不同几何形状的网格之间直接传递方式进行高精度计算，避免了笛卡尔网格以及嵌套网格在数据插值计算中引起的误差。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述仿真结束条件包括：仿真推进的总时间、局部变形达到阀值、操纵面运动的广义位置达到阀值或者刚体运动的广义位移达到阀值。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述流固耦合与飞行条件下的流场通过用数值方法求解以湍流模型封闭的三维N-S方程计算得到。N-S方程计算得到的飞行(航行)运动及变形过程产生的流体作用力，可以充分考虑飞行(航行)过程中的非线性流体作用力，并且该方法可以实现网格的大变形计算。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述湍流模型包括SST(ShearStress Transport)k-ω湍流模型，RSM(Reynolds-Stress Model)湍流模型，DES(DetachedEddy Simulation)湍流模型，LES(Large Eddy Simulation)湍流模型。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述三维N-S方程如下：
Figure GDA0003818380490000031
Figure GDA0003818380490000032
所述RSM湍流模型，其输运方程如下：
Figure GDA0003818380490000033
根据方程(1)和方程(2)，可以确定密度ρ，沿x、y、z三个方向的速度分量u1、u2、u3，压强p，以及6个雷诺应力
Figure GDA0003818380490000034
即三个正应力
Figure GDA0003818380490000035
和三个切应力
Figure GDA0003818380490000036
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述局部变形、舵面操纵采用对整体计算域开展动网格计算来实现。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，动网格采用包括弹簧理论或变形扩散理论或无限插值理论或者弹性体理论的方法进行计算。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，所述重构计算根据飞行(航行)力学计算得到的运动计算结果，以飞行物周围网格整体来进行刚体运动，并对周围网格进行相应的拉伸、挤压调整。
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，具有以下技术效果：(1)实现了局部变形/舵面操纵的流固耦合与飞行力学一体化仿真技术；(2)实现了高保真离散；在飞行器/航行器周围采用完全结构化六面体网格转换得到的非结构网格来计算物体周围的流场，实现了对物体型面的高保真离散(这种保真精度远高于三棱柱/四面体混合网格的保真精度)；(3)具有高精度的计算；在飞行器/航行器周围的六面体区域尺寸可以设置为物体特征尺寸的数倍，很好的发挥了六面体网格高精度计算的优势，并且这种六面体、金字塔、四面体网格组成不会因为诸如笛卡尔网格、嵌套网格等产生的插值误差；(4)实现了网格局部的大变形。(5)可以考虑飞行/航行中的非线性流动特性；N-S方程充分描述大迎角、钝体等产生非定常、非线性流动现象；(6)可以充分考虑结构变形的非线性因素；结构力学模块可以根据计算需求，来考虑相关非线性因素的作用。
附图说明
图1为本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法流程示意图；
图2为本发明实施例二所述水下航行器简化模型的几何模型图；
图3为本发明实施例二所述水下航行器简化模型的网格剖视图；
图4为本发明实施例二所述水下航行器的气囊在膨胀初始时刻的表面网格图；
图5为本发明实施例二所述水下航行器的气囊在膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；
图6为本发明实施例二所述水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；
图7为本发明实施例二所述水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；
图8为本发明实施例二所述水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面网格图；
图9为对应于图4所述的水下航行器的气囊在膨胀初始时刻的表面压力分布云图；
图10为对应于图5所述的水下航行器的气囊在膨胀上浮过程中某时刻的表面压力分布云图；
图11为对应于图6所述的水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面压力分布云图；
图12为对应于图7所述的水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面压力分布云图；
图13为对应于图8所述的水下航行器的气囊在继续膨胀上浮过程中某时刻的表面压力分布云图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法进行详细说明。
实施例一
本发明所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合/飞行(航行)力学一体化仿真问题中的运动及变形问题分解为网格变形和网格整体运动，从而实现了上述一体化仿真的动网格问题，并且分别通过气动力计算、结构变形计算和运动计算，实现了局部变形/舵面操纵的流固耦合与飞行力学一体化仿真技术。具体包括如下步骤：
网格变形：首先根据飞行物几何模型生成网格；通过局部流固耦合变形、舵面操纵进行网格变形计算；
网格整体运动：包括飞行物所生成网格的整体运动，以及随之进行的网格变形、重构计算，从而实现刚体运动条件下的网格整体运动；
气动力计算：通过求解三维N-S方程来模拟得到流固耦合与飞行条件下的流场，进而得到作用于整个飞行物的三分力和三分力矩；
根据气动力计算结果，分别通过飞行力学方程求解与结构力学方程求解进行运动计算与变形计算；对运动计算与变形计算结果判断分析是否满足仿真结束条件；
满足，则停止计算；不满足，则将运动计算结果反馈至网格整体运动；将变形计算结果反馈至局部气动弹性变形；返回网格变形，迭代计算。
在真实的飞行和航行运动中，局部变形或舵面操纵往往与整体的平动转动同时发生。但考虑到仿真的复杂性，在本实施例中将这种同时发生的运动分解为几个步骤来实现。
1)一体化仿真的流程
如图1所示，首先通过几何模型①，生成网格②。其中，飞行物(如飞机、飞艇、导弹、鱼雷等)周围的网格为完全结构化网格转换得到的六面体网格；在其外场区域，采用四面体网格进行离散；六面体网格和四面体网格之间采用金字塔网格进行过渡。然后(一)网格变形、(二)网格整体运动、(三)气动力计算、(四)运动与变形计算。在上述四步中，网格变形计算和网格整体运动可以交换位置；运动计算和结构变形计算均以计算得到的气动力为输入参数。在(一)网格变形部分，又可以分为③局部变形、④舵面操纵的作用下，网格的变形计算(⑤)。在这部分中，③和④的次序可以颠倒。但是③和④后，必须进行网格变形计算。在(二)网格整体运动计算中，又包括了物体周围六面体、金字塔网格的整体运动，以及四面体网格随之进行的网格变形、重构计算，从而实现刚体运动条件下的网格整体运动。在(三)气动力计算中，为了能捕获分离流及各个部件之间的粘性流动干扰作用，通过求解N-S方程来得到作用于整个物体的三分力和三分力矩。进而以三分力和三分力矩为依据，在(四)中分别计算飞行(航行)运动(⑧)以及结构的变形(⑨)。在这部分中，⑧和⑨的次序可以调换。上述运动结果将用于(二)的网格整体运动；结构的变形，将用于(一)中的局部变形。在完成了以上四部分的计算后，将判断分析是否满足仿真的结束条件，如果满足，则停止计算；如果不满足结束条件，则继续从(一)开始，按顺序开始一体化分析。
2)CFD数值计算方法
为了得到一体化仿真过程中的流场，基于Computational Fluid Dynamics(CFD)方法，通过求解三维N-S方程来模拟得到流固耦合与飞行(航行)条件下的流场。其中，三维N-S方程如下：
Figure GDA0003818380490000071
湍流模型通常可以采用SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型，RSM(Reynolds-Stress Model)湍流模型，DES(Detached Eddy Simulation)或者LES(LargeEddy Simulation)等对分离流模拟效果较好的模型。例如，采用RSM湍流模型时，其输运方程如下：
Figure GDA0003818380490000072
通过方程(1)和方程(2)，可以确定密度ρ，沿x、y、z三个方向的速度分量u1、u2、u3，压强p，以及6个雷诺应力
Figure GDA0003818380490000073
即三个正应力
Figure GDA0003818380490000074
和三个切应力
Figure GDA0003818380490000075
3)网格变形，局部变形和舵面操纵运动采用对整体计算域开展动网格计算来实现。具体采用的动网格方式可以依据仿真所用的代码或者软件，采用诸如弹簧理论、变形扩散理论、无限插值理论或者弹性体理论方法来计算。
4)网格整体运动
依据飞行(航行)力学计算得到的运动计算结果，包括平动、转动分量，以物体周围的六面体、金字塔网格整体来进行刚体运动，并且对周围的四面体网格进行相应的拉伸、挤压等，如四面体网格出现负体积或者其网格质量参数小于设置的网格质量阀值，则进行局部网格重构计算，从而保证四面体网格的质量。
5)气动力计算通过求解2)中的N-S方程，分别得到三分力和三分力矩。
6)运动与变形计算，运动计算采用飞行(航行)力学方法来计算，具体的计算方法在相应的专业书籍中已经进行了详细的说明；变形计算采用结构力学方法来计算，具体的算法也在相应的专业书籍中进行了详细的论述。
7)迭代判断，如以满足了结束条件，比如说仿真推进的总时间、局部变形达到阀值、操纵面运动的广义位置达到阀值或者刚体运动的广义位移达到阀值，则结束计算；否则，将运动与变形计算的结果作为输入条件，再次进行迭代。
实施例二
本实施例以水下航行器局部气囊充气上浮的简化模型为例，按照实施例一所述步骤开展了考虑局部变形的流固耦合与航行力学的一体化模拟，给出充气上浮过程的仿真结果如图2-图13所示。其中，图2为水下航行器局部气囊充气上浮简化模型的几何模型图；图3为水下航行器简化模型的z＝0截面的网格剖视图；图4为水下航行器的气囊在膨胀初始时刻的表面网格图；图5、图6、图7和图8分别为气囊在逐渐膨胀上浮过程中的某些时刻的表面网格图。从图4-图8可以看出水下航行器在气囊膨胀过程中的网格变化及上浮过程中的位移变化，可通过航行器的气囊充气上浮仿真，其气囊未膨胀的特征尺寸为水下航行器的当地直径，而完全膨胀后的特征尺寸为水下航行器直径的2倍以上，实现了网格大变形的计算。计算得到的对应于图4-图8的各个时刻的水下航行器表面压力分布云图分别如图9-图13所示。从图9-图13可以看出水下航行器在气囊膨胀过程中的表面压力分布变化及上浮过程中的位移变化。
从图4-图13可以看出局部气囊在充气膨胀过程中，水下航行器整体受力的改变引起了它的平动及转动位移，使得航行器在向前运动的同时，俯仰角逐步增大，表现出了充气上浮的运动特点。结果表明，上述流程可以实现大变形、大位移(线位移和角位移)运动条件下的一体化仿真。

Claims (7)

1.一种流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：通过将局部变形/舵面操纵的流固耦合分解为网格变形和网格整体运动，分别进行运动与变形的分步计算；并将运动与变形的计算结果作为下一时间步的迭代计算输入参数，实现流固耦合与飞行力学仿真；具体包括如下步骤：
网格变形：首先根据飞行物几何模型生成网格；通过局部流固耦合变形、舵面操纵进行网格变形计算；
网格整体运动：包括飞行物所生成网格的整体运动，以及随之进行的网格变形、重构计算，从而实现刚体运动条件下的网格整体运动；
气动力计算：通过求解三维N-S方程来模拟得到流固耦合与飞行条件下的流场，进而得到作用于整个飞行物的三分力和三分力矩；
根据气动力计算结果，分别通过飞行力学方程求解与结构力学方程求解进行运动计算与变形计算；
对运动计算与变形计算结果判断分析是否满足仿真结束条件；
满足，则停止计算；
不满足，则将运动计算结果反馈至网格整体运动；将变形计算结果反馈至局部气动弹性变形；返回网格变形，迭代计算；
所述生成网格的方式包括：飞行物周围的网格为采用完全结构化六面体网格转换得到的非结构网格；在物体外场区域，采用四面体网格进行离散；在六面体网格和四面体网格之间采用金字塔网格进行过渡；
所述仿真结束条件包括：仿真推进的总时间、局部变形达到阀值、操纵面运动的广义位置达到阀值或者刚体运动的广义位移达到阀值。
2.根据权利要求1所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：所述流固耦合与飞行条件下的流场通过用数值方法求解以湍流模型封闭的三维N-S方程计算得到。
3.根据权利要求2所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：所述湍流模型包括SSTk-ω湍流模型，RSM湍流模型，DES湍流模型，LES湍流模型。
4.根据权利要求3所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：
所述三维N-S方程如下：
Figure FDA0003818380480000021
Figure FDA0003818380480000022
所述RSM湍流模型，其输运方程如下：
Figure FDA0003818380480000023
根据方程(1)和方程(2)，可以确定密度ρ，沿x、y、z三个方向的速度分量u1、u2、u3，压强p，以及6个雷诺应力
Figure FDA0003818380480000024
即三个正应力
Figure FDA0003818380480000025
和三个切应力
Figure FDA0003818380480000026
5.根据权利要求4所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：所述局部变形、舵面操纵采用对整体计算域开展动网格计算来实现。
6.根据权利要求5所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：动网格采用包括弹簧理论或变形扩散理论或无限插值理论或者弹性体理论的方法进行计算。
7.根据权利要求6所述流固耦合与飞行力学仿真的处理方法，其特征在于：所述重构计算根据飞行力学计算得到的运动计算结果，以飞行物周围网格整体来进行刚体运动，并对周围网格进行相应的拉伸、挤压调整。
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