CN110378025B - 一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于热化学非平衡绕流流场计算技术领域，公开了一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法，所述用于计算热化学非平衡绕流的处理系统包括：网格读取模块用于读取其他商业网格生成软件输出的网格文件；中断控制模块用于随时中断计算，无惧断电等意外情况，可加载上次计算结果开始计算，也可从初始状态开始计算；精度实现模块包括时间精度实现单元与空间精度实现单元；用于实现时间、空间二阶精度；模型建立模块用于利用Park方法建立振动松弛模型；模型集成模块用于集成十一组元化学反应动力学模型；数据处理模块支持常用后处理软件，用于直接查看处理系统输出的数据。本发明具有重要的学术研究和工程应用价值。

Description

一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法
技术领域
本发明属于热化学非平衡绕流流场计算技术领域，尤其涉及一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法。
背景技术
热化学非平衡现象广泛出现在高超声速飞行器巡航、飞船再入大气层、超声速燃烧、化学激光器等过程中，设计到复杂的物理化学机制。研究热化学非平衡现象主要借助数值计算和试验等手段。
目前，业内常用的现有技术是这样的：
商用软件对热化学非平衡绕流流场的计算支持不足。商用软件对高速流场，特别是高超声速流场的计算，仍然缺乏高水平高可靠性的计算模块或算法的支持。另外，商用软件常将关键算法、关键模块设置为黑箱状态，使得用户不能对软件控制参数进行自由修改，缺乏灵活性和定制性。
近几十年来，国内外研究者针对热化学非平衡绕流开展计算研究，开发了功能各异、种类繁多的程序包或计算模块，为开展高超高温、气动热物理等领域的研究提供了强大的计算工具。国内外研究者编写了大量代码，控制参数可方便地调整，各种用来描述物理问题的模型、控制方程、算法等研究要素也方便地得到验证，在一定程度上能够解决热化学非平衡绕流流场的高精度仿真计算问题。然而，这些代码呈现碎片化的特点，不利于研究的开展和学术交流的进行。另外，现有公开可见的程序包或计算模块大多功能单一、计算效率不高、对计算条件的适应性不强，特别是对与马赫数20及以上的热化学非平衡绕流计算，难以见到可供借鉴的成熟可靠而又高效的程序包及计算模块，因此，亟待开发建立一种完备的可供学术研究的计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法。
为验证软件计算结果，可采用试验研究，直接获知试验结果。通过在高速风洞或高超声速风洞等特种设备中开展相关试验，可观测得到热化学非平衡绕流流场的特性。然而，这种试验研究的代价较高，且在面临复杂工况时，试验实施起来比较困难。考虑到建设先进地面试验设备、开展飞行试验的高昂代价，借助计算方法开展热化学非平衡绕流的研究已经成为主要的研究手段之一，并将在未来研究中发挥更加显著地作用。
现有技术存在的问题是：
(1)超高速、高超声速流场的仿真计算相对于亚声速、超声速工况下的计算来说困难地多，特别是考虑热化学非平衡等复杂物理化学效应后，可用的商业计算软件并不多；
(2)商业软件开放程度不够，国内外研究者编写的代码呈现碎片化，不利于计算研究和学术交流；
(3)采用试验手段开展热化学非平衡绕流流场的研究代价较高，用地面设备模拟高超高温、气动热物理等现象很困难，开展飞行试验获取关键数据所付出的代价也比较高昂。
因此，超高速、高超声速流场的数值仿真软件是开展高超高温空气动力学、气动热物理学、先进飞行器设计等研究的重要工具。
解决上述技术问题的难度：
为开展热化学非平衡绕流流场的研究，要么采用数值仿真方法，要么采用试验方法。试验所需设备和试验技术门槛高，技术难度很大，对于学术研究来说，试验的代价太高，往往难以成行。但开展数值仿真方法，也需要等待商业软件的升级和支持，或者获取相应的软件处理系统及方法。因此，解决上述技术问题总体来说难度很高。
解决上述技术问题的意义：
建立一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法，可为高超高温、气动热物理等领域的学术研究提供计算工具和方法借鉴，也可为解决部分工程问题提供关键的计算数据支撑，具有重要的学术研究和工程应用价值。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统及方法。
本发明是这样实现的，一种用于计算热化学非平衡绕流的处理系统包括：
网格读取模块、中断控制模块、精度实现模块、模型建立模块、模型集成模块、数据处理模块；
网格读取模块：用于读取其他商业网格生成软件输出的网格文件；
中断控制模块：用于随时中断计算，无惧断电等意外情况，可加载上次计算结果开始计算，也可从初始状态开始计算；
精度实现模块：包括时间精度实现单元与空间精度实现单元；用于实现时间、空间二阶精度；
模型建立模块：用于利用Park方法建立振动松弛模型；
模型集成模块：用于集成十一组元化学反应动力学模型；
数据处理模块：支持常用后处理软件，用于直接查看处理系统输出的数据。
进一步，所述精度实现模块：
时间精度实现单元：用于利用双时间步法实现时间二阶精度，可设定物理时间层和虚拟时间层的迭代次数；
空间精度实现单元：用于利用隐式AUSM类格式对控制方程进行求解，结合LUSGS方法，得到空间二阶精度；流场为二维轴对称空间拓扑结构。
进一步，所述模型建立模块包括：
综合考虑平动、转动、振动和电子能量模式之间的能量输运物理机制，利用Park双温模型，引入平动-转动温度和振动-电子温度分别表征平动-转动和振动-电子能量；控制方程组中含有两个能量守恒方程，即振动-电子能方程和总能方程；在振动-电子能方程中，采用Park的方法建立振动松弛模型。
进一步，所述模型集成模块包括：
集成十一组元化学反应动力学模型；同时控制方程组含有各个组元的质量守恒方程，囊括各组元的质量扩散项以及各组元的质量生成率，采用Dunn&Kang反应模型，计及20个基元反应。
进一步，所述用于热化学非平衡绕流的计算方法具体包括以下步骤：
步骤一，将软件包复制到工作文件路径(文件名不可为中文字符)，打开并检查软件包文件夹Version1.0；
步骤二，采用Compaq Visual Fortran软件打开Main.DSW；
步骤三，修改参数；
步骤四，按Ctrl+F5键，打开软件初始启动命令行界面。程序执行如下具体过程为：
(1)主程序MAIN调用子程序INPUT，设定物理时间步长、虚拟时间步长、空间步长等参数；
(2)主程序调用子程序GRIDGEN，加载由第三方软件生成的网格文件102-62.x，得到计算空间内ξ和η两个坐标方向上不同坐标点对应的真实物理空间的坐标值x(ξ,η)和y(ξ,η)；另外，计算得到计算空间和物理空间的坐标变换关系，包括偏导数ξx，ξy，ηx，ηy以及坐标变换Jacobian矩阵行列式等；
(3)当用户按照提示按数字1或数字0时，主程序读取用户输入的字符；若字符为数字1，则调用子程序INIT，对程序进行参数初始化，并通过调用子程序BOUND给定边界条件，得到通量Q，实现程序从初始状态开始计算；若用户输入的字符为0，则主程序调用子程序UPLOADLASTRESULT，调取最近输出的计算结果，得到通量Q，使得程序加载上次中断状态，则软件将加载恢复数据文件Q_data.DAT内的数据，并给出部分数据，以示加载成功，然后开始计算；
(4)将步骤(3)确定的通量Q作为初始计算条件，并保存为数组Q0；
(5)设定物理时间层时间步数为RTIME＝1；
(6)将通量Q赋值给Q1；
(7)程序在虚拟时间层内进行循环，总循环次数为虚拟时间步数ITT，且每次循环调用一次子程序LUSGS，实现虚拟时间步内的方程求解，另外，调用子程序BOUND，给定边界条件；子程序LUSGS在时间方向采用隐式LU-SGS格式，并利用双时间步法提高时间精度；
(8)将在虚拟时间层内更新的通量值Q1赋值给Q0，判断物理时间步数是否达到确定的值，若达到，则调用子程序OUTPUT，实现数据输出；
(9)将在虚拟时间层内更新的通量值Q幅值给Q1，开始下一个物理时间步的计算；
(10)重复步骤(7)至(8)，直至物理时间步数达到设定的最大值RTT，结束物理时间层的循环；
(11)主程序调用子程序OUTPUT，实现数据输出。
步骤五，计算完成后，在Version1.0文件夹内可找到扩展名为plt的数据文件，即为计算得到的热化学非平衡绕流数据，直接双击用数据后处理软件打开。
进一步，步骤一中，所述检查软件包文件夹Version1.0包括：
Version1.0中应含有网格文件(扩展名为x)、Fortran源代码文件(扩展名为f或f90)；如果非首次计算，还可能包含上次中断计算时保存的恢复数据文件Q_data(扩展名为dat)。
进一步，步骤三中，所述修改参数包括：
在主程序main中，找到参数ITT和RTT的定义代码，ITT和RTT的值分别对应于虚拟时间层内迭代次数和物理时间层迭代次数；
ITT默认值为2，RTT的默认值为1000000。在DEFINATION.INC中修改x方向和y方向网格数，默认值为100和60；
在各个代码文件中修改参考密度RHOINF、参考速度UINF、参考定压比热CPINF、参考温度TINF、参考粘性系数VISINF、参考导热系数KINF等，设定为对应的来流参数；修改壁面温度TW，默认值为600.0K。在GRIDGEN代码文件中，修改网格文件名FILENAME，默认为102-62.x；
在INPUT代码文件中，修改时间步长DT，默认值为1.0e-9。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明提供的用于计算热化学非平衡绕流的软件系统，能够模拟高超高温现象，能够对马赫数5～20及以上的高超声速流场开展数值模拟，计算结果符合预期。如图5所示，该软件系统计算得到来流马赫数20时的钝头体绕流流场的马赫数、平动-转动温度、振动-电子温度以及电子数密度等参数分布。该软件系统可运行在办公电脑、笔记本电脑等平台上，无需昂贵的集群并行计算环境支持，代码计算效率高，能够快速给出结果，十分适用于教育教学科研和学术交流等场合，能够给计算流体力学、高超声速飞行器设计等专业的教育和科研工作者带来极大方便。另外，该软件系统采用模块化设计，可根据实际需要增删或替换功能模块，方便用户自定义和优化改进，具有重要的学术研究和工程应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于计算热化学非平衡绕流的处理系统结构示意图。
图2是本发明实施例提供的热化学非平衡绕流的计算方法流程图。
图3是本发明实施例提供的软件启动命令行界面示意图。
图4是本发明实施例提供的软件启动命令行界面示意图。
图5是本发明实施例提供的数据后处理示意图。
图中：1、网格读取模块；2、中断控制模块；3、精度实现模块；4、模型建立模块；5、模型集成模块；6、数据处理模块；7、时间精度实现单元；8、空间精度实现单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理做进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的用于计算热化学非平衡绕流的处理系统包括：
网格读取模块1、中断控制模块2、精度实现模块3、模型建立模块4、模型集成模块5、数据处理模块6；
网格读取模块1：用于读取其他商业网格生成软件输出的网格文件；
中断控制模块2：用于随时中断计算，无惧断电等意外情况，可加载上次计算结果开始计算，也可从初始状态开始计算；
精度实现模块3：包括时间精度实现单元与空间精度实现单元；用于实现时间、空间二阶精度；
模型建立模块4：用于利用Park方法建立振动松弛模型；
模型集成模块5：用于集成十一组元化学动力学模型；
数据处理模块6：支持常用后处理软件，用于利用数据后处理软件直接查看、处理系统输出的数据。
本发明实施例提供的精度实现模块3包括：
时间精度实现单元7：用于利用双时间步法实现时间二阶精度，可设定物理时间层和虚拟时间层的迭代次数；
空间精度实现单元8：用于利用隐式AUSM类格式对控制方程进行求解，结合LUSGS方法，得到空间二阶精度；流场为二维轴对称空间拓扑结构。
本发明实施例提供的模型建立模块4包括：
综合考虑平动、转动、振动和电子能量模式之间的能量交换，利用Park双温模型，引入平动-转动温度和振动-电子温度分别表征平动-转动和振动-电子能量；控制方程组中含有两个能量守恒方程，即振动-电子能方程和总能方程；在振动-电子能方程中，采用Park的方法建立振动松弛模型。
本发明实施例提供的模型集成模块5包括：
集成十一组元化学动力学模型；同时控制方程组含有各个组元的质量守恒方程，囊括各组元的质量扩散项以及各组元的质量生成率，采用Dunn&Kang反应模型，计及20个基元反应。
如图2所示，本发明实施例提供的热化学非平衡绕流的计算方法具体包括以下步骤：
S101，将软件包复制到工作文件路径(文件名不可为中文字符)，打开并检查软件包文件夹Version1.0；
S102，采用Compaq Visual Fortran软件打开Main.DSW；
S103，修改参数；
S104，按Ctrl+F5键，打开软件初始启动命令行界面；
S105，按照提示按数字1或数字0，从初始状态开始计算，或加载上次中断状态；如果加载上次中断状态，则软件将加载恢复数据文件Q_data.DAT内的数据，并给出部分数据，以示加载成功，然后开始计算；
S106，计算完成后，在Version1.0文件夹内可找到扩展名为plt的数据文件，即为计算得到的热化学非平衡绕流数据，直接双击第三方数据后处理软件打开。
步骤S101中，本发明实施例提供的检查软件包文件夹Version1.0包括：
Version1.0中应含有网格文件(扩展名为x)、Fortran源代码文件(扩展名为f或f90)；如果非首次计算，还可能包含上次中断计算时保存的恢复数据文件Q_data(扩展名为dat)。
步骤S103中，所述修改参数包括：
在主程序main中，找到参数ITT和RTT的定义代码，ITT和RTT的值分别对应于虚拟时间层内迭代次数和物理时间层迭代次数；
ITT默认值为2，RTT的默认值为1000000。在DEFINATION.INC中修改x方向和y方向网格数，默认值为100和60；
在各个代码文件中修改参考密度RHOINF、参考速度UINF、参考定压比热CPINF、参考温度TINF、参考粘性系数VISINF、参考导热系数KINF等，设定为对应的来流参数；修改壁面温度TW，默认值为600.0K。在GRIDGEN代码文件中，修改网格文件名FILENAME，默认为102-62.x；
在INPUT代码文件中，修改时间步长DT，默认值为1.0e-9。
本发明实施例提供的系统运行环境包括：
(1)运行在PC及其兼容机上，使用Windows或Linux操作系统，推荐2GB以上内存；
(2)在使用软件前，需要配置运行环境。
1)Microsoft环境
推荐安装CompaqVisual Fortran专业版(6.5以上版本)；
或安装Microsoft Visual Studio(2012以上版本)以及Intel.Visual.Fortran.Composer.XE(2013以上版本)和IMSL Fortran Numerical Library(7.0以上版本)，并配置运行库和环境变量。
2)Linux环境
推荐CentOS系统(7.0以上版本)，并安装配置好gcc和gfortran。或安装intelfortran compiler亦可。
下面结合具体实施例对本发明的应用原理做进一步描述。
具体实施例：
以Microsoft操作系统环境为例。将软件包复制到工作文件路径(文件名不可为中文字符)，打开软件包文件夹Version1.0。检查文件夹Version1.0，其应含有网格文件(扩展名为x)、Fortran源代码文件(扩展名为f或f90)。如果非首次计算，还可能包含上次中断计算时保存的恢复数据文件Q_data(扩展名为dat)。
(1)采用Compaq Visual Fortran软件打开Main.DSW。
(2)在主程序main中，找到参数ITT和RTT的定义代码，ITT和RTT的值分别对应于虚拟时间层内迭代次数和物理时间层迭代次数。ITT默认值为2，RTT的默认值为1000000。在DEFINATION.INC中修改x方向和y方向网格数，默认值为100和60。在各个代码文件中修改参考密度RHOINF、参考速度UINF、参考定压比热CPINF、参考温度TINF、参考粘性系数VISINF、参考导热系数KINF等，设定为对应的来流参数。修改壁面温度TW，默认值为600.0K。在GRIDGEN代码文件中，修改网格文件名FILENAME，默认为102-62.x。在INPUT代码文件中，修改时间步长DT，默认值为1.0e-9。
(3)按Ctrl+F5键，打开软件初始启动命令行界面，如图3所示。
(3)按照提示按数字1或数字0，从初始状态开始计算，或加载上次中断状态。如果加载上次中断状态，则软件将加载恢复数据文件Q_data.DAT内的数据，并给出部分数据，以示加载成功，然后开始计算，如图4所示。
(4)计算完成后，在Version1.0文件夹内可找到扩展名为plt的数据文件，直接双击用数据后处理软件打开。如图5所示，给出了来流马赫数为20时某钝头体的绕流流场的马赫数、平动-转动温度、振动-电子温度以及电子粒子数密度分布。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于计算热化学非平衡绕流的处理方法，其特征在于，所述用于计算热化学非平衡绕流的处理方法基于用于计算热化学非平衡绕流的处理系统，包括：
网格读取模块：用于读取其他商业网格生成软件输出的网格文件；
中断控制模块：用于随时中断计算，无惧断电意外情况，可加载上次计算结果开始计算，也可从初始状态开始计算；
精度实现模块：包括时间精度实现单元与空间精度实现单元；用于实现时间、空间二阶精度；
模型建立模块：用于利用Park方法建立振动松弛模型；
模型集成模块：用于集成十一组元化学反应动力学模型；
数据处理模块：支持常用后处理软件，用于直接查看处理系统输出的数据；
所述用于计算热化学非平衡绕流的处理方法包括：
步骤一，将软件包复制到工作文件路径，文件名不可为中文字符，打开并检查软件包文件夹Version1.0；
步骤二，采用Compaq Visual Fortran软件打开Main.DSW；
步骤三，修改参数；
步骤四，按Ctrl+F5键，打开软件初始启动命令行界面，程序执行如下具体过程为：
（1）主程序MAIN调用子程序INPUT，设定物理时间步长、虚拟时间步长、空间步长参数；
（2）主程序调用子程序GRIDGEN，加载由第三方软件生成的网格文件102-62.x，得到计算空间内ξ和η两个坐标方向上不同坐标点对应的真实物理空间的坐标值x(ξ, η)和y(ξ,η)；另外，计算得到计算空间和物理空间的坐标变换关系，包括偏导数ξx，ξy，ηx，ηy以及坐标变换Jacobian矩阵行列式；
（3）当用户按照提示按数字1或数字0时，主程序读取用户输入的字符；若字符为数字1，则调用子程序INIT，对程序进行参数初始化，并通过调用子程序BOUND给定边界条件，得到通量Q，实现程序从初始状态开始计算；若用户输入的字符为0，则主程序调用子程序UPLOADLASTRESULT，调取最近输出的计算结果，得到通量Q，使得程序加载上次中断状态，则软件将加载恢复数据文件Q_data.DAT内的数据，并给出部分数据，以示加载成功，然后开始计算；
（4）将步骤（3）确定的通量Q作为初始计算条件，并保存为数组Q0；
（5）设定物理时间层时间步数为RTIME=1；
（6）将通量Q赋值给Q1；
（7）程序在虚拟时间层内进行循环，总循环次数为虚拟时间步数ITT，且每次循环调用一次子程序LUSGS，实现虚拟时间步内的方程求解，另外，调用子程序BOUND，给定边界条件；子程序LUSGS在时间方向采用隐式LU-SGS格式，并利用双时间步法提高时间精度；
（8）将在虚拟时间层内更新的通量值Q1赋值给Q0，判断物理时间步数是否达到确定的值，若达到，则调用子程序OUTPUT，实现数据输出；
（9）将在虚拟时间层内更新的通量值Q幅值给Q1，开始下一个物理时间步的计算；
（10）重复步骤（7）至（8），直至物理时间层的时间步数达到设定的最大值RTT，结束物理时间层的循环；
（11）主程序调用子程序OUTPUT，实现数据输出；
步骤五，计算完成后，在Version1.0文件夹内可找到扩展名为plt的数据文件，即为计算得到的热化学非平衡绕流数据，直接双击用数据后处理软件打开。
2.如权利要求1所述的用于计算热化学非平衡绕流的处理方法，其特征在于，所述精度实现模块：
时间精度实现单元：用于利用双时间步法实现时间二阶精度，可设定物理时间层和虚拟时间层的迭代次数；
空间精度实现单元：用于利用隐式AUSM类格式对控制方程进行求解，结合LUSGS方法，得到空间二阶精度；流场为二维轴对称空间拓扑结构。
3.如权利要求1所述的用于计算热化学非平衡绕流的处理方法，其特征在于，所述模型建立模块包括：
综合考虑平动、转动、振动和电子能量模式之间的能量输运，利用Park双温模型，引入平动-转动温度和振动-电子温度分别表征平动-转动和振动-电子能量；控制方程组中含有两个能量守恒方程，即振动-电子能方程和总能方程；在振动-电子能方程中，采用Park的方法建立振动松弛模型。
4.如权利要求1所述的用于计算热化学非平衡绕流的处理方法，其特征在于，所述模型集成模块包括：
集成十一组元化学反应动力学模型；同时控制方程组含有各个组元的质量守恒方程，囊括各组元的质量扩散项以及各组元的质量生成率，采用Dunn& Kang反应模型，计及20个基元反应。
5.如权利要求1所述的用于计算热化学非平衡绕流的处理方法，其特征在于，步骤一中，所述检查软件包文件夹Version1.0包括：
Version1.0中应含有网格文件、Fortran源代码文件；如果非首次计算，还可能包含上次中断计算时保存的恢复数据文件Q_data；网格文件扩展名为x，Fortran源代码文件扩展名为f或f90，Q_data扩展名为dat。
6.如权利要求1所述的用于计算热化学非平衡绕流的处理方法，其特征在于，步骤三中，所述修改参数包括：
在主程序main中，找到并修改参数ITT和RTT的定义代码，ITT和RTT的值分别对应于虚拟时间层内迭代次数和物理时间层迭代次数，ITT默认值为2，RTT的默认值为1000000；
在DEFINATION.INC中修改x方向和y方向网格节点数，默认值为100和60；
在各个代码文件中修改参考密度RHOINF、参考速度UINF、参考定压比热CPINF、参考温度TINF、参考粘性系数VISINF、参考导热系数KINF，设定为对应的来流参数；修改壁面温度TW，默认值为600.0K；
在GRIDGEN代码文件中，修改网格文件名FILENAME，默认为102-62.x；
在INPUT代码文件中，修改时间步长DT，默认值为1.0e-9。
7.一种实现权利要求1~6任意一项所述用于计算热化学非平衡绕流的处理方法的信息数据处理终端。
8.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-6任意一项所述的用于计算热化学非平衡绕流的处理方法。
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