CN110688791B - 一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法 - Google Patents

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Abstract

一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，所述钝头体流场为钝头体在空气中高速运动并能够在钝头体前方产生完全脱体激波的流场，通过下述方式实现：根据前方来流条件结合初始流场网格，计算初始三维全流场数据；根据流场马赫数分布捕捉激波网格点、将激波网格点组装为激波网格面并将激波网格面进行光顺处理；以激波网格面为内部对接边界重构流场网格使得激波附近的网格沿着激波面分布并在垂直于激波的方向进行网格加密，采用重构后的流场网格重新计算三维全流场数据；自动化进行迭代流场计算、激波捕捉、网格重构直至前后两次激波网格面的误差小于预设的阈值，完成结构网格的激波自适应生成；所述的流场网格为多区对接结构化六面体网格。

Description

一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法
技术领域
本发明涉及一种计算流体力学网格生成方法，特别是一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，属于流场数值模拟及网格生成技术领域。
背景技术
钝头体是飞行器的一种典型外形，当钝头体飞行器在空气中达到一定程度的飞行速度时，气流在钝头体前方受到强烈的压缩并产生脱体强激波，气流中携带的大量动能在边界层内由于气体粘性作用产生耗散转化为内能，部分能量通过气动加热的方式传递给钝头体，防热材料的温度逐步升高，致使热防护材料的强度和刚度性能降低，甚至被烧毁，从而影响飞行器的安全飞行，因此，准确预测钝头体的气动加热在飞行器防热设计中具有重要意义。由于钝头体具有大曲率半径的特点，传统的基于边界层理论的工程快速预测方法仅针对规则球头外形，对于非球头外形则难以准确给出气动热环境结果，数值模拟技术是解决这一问题的重要手段。然而由于飞行速度极快以及高钝度的特征，数值模拟技术在解决此类问题中也存在较大不确定性，钝头体在气动热计算中经常会出现异常，其中计算网格是核心制约因素。研究表明对于出现激波的钝头体流场，当计算网格与激波形状匹配时，能有效减少计算结果异常的现象，且能显著提高气动热计算精度。如何在已有数值模拟技术框架下，构建激波自适应网格生成方法以满足热环境计算精度要求是解决钝头体气动加热评估及防热系统设计的关键技术。
目前的流场自适应技术大多是基于非结构网格，然而采用非结构网格进行气动热计算时精度较低，在工程应用中气动热计算主要依赖于结构网格，目前尚无标准的结构网格激波自适应生成方法解决此类问题。
发明内容
本发明解决的问题是：基于成熟的数值模拟技术框架，克服现有技术的不足，提出了一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，给出了具体的网格生成方法，实现了钝头体外形气动热预测的高质量激波自适应网格标准生成技术，可有效生成激波匹配网格，充分保证钝头体外形气动热预测的数值模拟精度。
本发明的技术解决方案是：一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，所述钝头体流场为钝头体在空气中高速运动并能够在钝头体前方产生完全脱体激波的流场，所述激波自适应结构网格生成方法，通过下述方式实现：
根据前方来流条件结合初始流场网格，计算初始三维全流场数据；根据流场马赫数分布捕捉激波网格点、将激波网格点组装为激波网格面并将激波网格面进行光顺处理；以激波网格面为内部对接边界重构流场网格使得激波附近的网格沿着激波面分布并在垂直于激波的方向进行网格加密，采用重构后的流场网格重新计算三维全流场数据；自动化进行迭代流场计算、激波捕捉、网格重构直至前后两次激波网格面的误差小于预设的阈值，完成结构网格的激波自适应生成；
所述的流场网格为多区对接结构化六面体网格。
优选的，通过下述步骤计算三维全流场数据：
(1)根据前方来流条件和钝头体驻点曲率半径计算得到驻点参考热流；
(2)利用步骤(1)中的计算得到的钝头体驻点参考热流计算钝头体网格的物面法向第一层网格高度；
(3)按照步骤(2)中计算得到的物面法向第一层网格高度生成初始流场的多区对接结构化六面体网格；
(4)根据步骤(1)中的来流条件和步骤(3)中的初始流场网格，采用数值求解三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的方式计算钝头体流场并获得三维全流场数据。
优选的，所述步骤(2)中确定钝头体物面法向第一层网格高度，采用基于参考热流的法向网格准则。
优选的，所述的驻点参考热流采用Fay-Riddle公式进行计算。
优选的，所述步骤(3)中生成的初始流场的多区对接结构化六面体网格包括远场边界，物面边界，对称面边界与出口边界；多区对接结构化六面体网格中的第一层网格高度保持不变即与步骤(2)一致。
优选的，所述的根据流场物理特征自动捕捉激波网格点具体通过下述方式实现：
按照网格分区的序号由小到大、网格面的序号由小到大、网格点的i方向序号由小到大、网格点的j方向序号由小到大的顺序，以所述远场边界面上的每个网格点为起点沿着远场至物面方向的网格线对网格线上的网格点进行马赫数探测，当遇到马赫数小于给定马赫数阀值的网格点则标记为激波点，并结束该条网格线探测。
优选的，所述马赫数阀值定义为自由来流马赫数的0.95～0.99倍。
优选的，通过下述方式组装激波网格面：
激波网格点按照网格分区的序号由小到大、网格面的序号由小到大、网格点的i方向序号由小到大、网格点的j方向序号由小到大的顺序，将激波点组装为保持原有网格分区的若干对接激波网格面。
优选的，所述的光顺处理为针对每一个激波点，保持其与物面法线不变、将其到钝头体物面的垂直距离调整至平均距离；所述平均距离为激波网格点本身与其相邻的所有激波点到钝头体物面的垂直距离的平均值。
优选的，所述步骤(4)中三维流场数据为格点型数据格式，包括笛卡尔三维空间坐标和马赫数。
优选的，所述误差为当前激波面与上一次捕获激波面所有编号对应的两两激波点距离的最大值。
优选的，所述阀值为钝头体特征长度的0.001～0.01倍。
优选的，所述钝头体特征长度为钝头体流向最小包络圆柱的直径。
本发明与现有技术相比的优点：本发明给出了结构网格的激波自适应求解流程和具体的技术手段，实现了钝头体外形流场数值计算的高质量网格生成技术，可显著提高计算网格质量并降低数值计算误差，有效提高了钝头体外形的流场数值模拟精度：
(1)本发明采用计算网格与计算流场结果来回迭代的方式，实现计算网格自适应流场激波的网格生成方法及气动加热计算，可显著提高计算网格质量，保证钝头体前方脱体激波与网格的匹配特性，提高网格分辨率，降低气动热计算误差，有效避免气动热计算异常的问题。
(2)本发明仅需分析气动加热计算流场结果和计算网格自动调整，对原有气动加热计算程序与网格生成软件无需改动，实现该发明与先前成熟程序的无缝对接。
附图说明：
图1为本发明中的流程图；
图2为初始网格；
图3为基于初始网格捕捉得到的非光顺激波；
图4为基于初始网格捕捉得到的光顺后的激波；
图5为激波自适应网格中保留的部分初始网格边界面；
图6为激波自适应网格中重构的网格边界；
图7为激波自适应网格；
图8为基于初始网格数值计算所得流场的对称面马赫数等值线云图；
图9为基于自适应网格数值计算所得流场的对称面马赫数等值线云图；
图10为基于初始网格数值计算所得流场的壁面热流等值线云图；
图11为基于自适应网格数值计算所得流场的壁面热流等值线云图；
具体实施方式
钝头体为任意能产生完全脱体激波的形状，无需保证面对称，无需保证轴对称，适用于来流存在攻角和侧滑角的工作情况。
根据前方来流条件结合初始流场网格，计算初始三维全流场数据；根据流场马赫数分布捕捉激波网格点、将激波网格点组装为激波网格面并将激波网格面进行光顺处理；以激波网格面为内部对接边界重构流场网格使得激波附近的网格沿着激波面分布并在垂直于激波的方向进行网格加密，采用重构后的流场网格重新计算三维全流场数据；自动化进行迭代流场计算、激波捕捉、网格重构直至前后两次激波网格面的误差小于预设的阈值，完成结构网格的激波自适应生成。
图1给出了网格生成的流程图，下面结合附图1-6予以详细说明：
(1)采用工程方法计算驻点参考热流。根据自由来流条件和钝头体驻点曲率半径，采用Fay-Riddle公式(具体参见“Theory of Stagnation Point Heat Transfer inDissociated Air”,Journal of the Aeronautical Sciences,1958,25(2):73-85)计算驻点参考热流，所述来流条件包括钝头体的飞行速度、来流静温和来流静压；
(2)确定物面法向第一层网格高度。利用步骤(1)中计算得到的驻点参考热流，并采用基于参考热流的法向网格准则(具体参见“高超声速气动热数值模拟法向网格准则研究“,力学与实践,2014,36(6):722-727)确定钝头体物面法向第一层网格高度；
(3)生成流场初始网格。流场初始网格采用多区对接结构化六面体网格(具体参见“Development of an explicit multiblock/multigrid flow solver for viscous flowin complex geometries.AIAA paper,93-2380,1993”)，包括远场边界、物面边界、出口边界和对称面边界(如果采用半模计算)，如图2所示，所述网格物面法向第一层网格高度与步骤(2)一致，所述远场网格边界需足够远以使得激波能位于壁面网格与远场网格之间；
(4)采用计算流体力学方法求解三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的方式对流场进行数值计算。获取每个网格点处的流场物理量信息。
(5)捕捉激波面并光顺处理。根据网格及物理量信息，从远场至壁面捕捉激波点，所有激波点按照原拓扑方式生成如图3所示的激波面，将激波面进行光顺处理得到如图4所示的光滑激波面；
(6)生成激波匹配网格。保留初始网格中的壁面网格1，远场面网格3和步骤(5)中获得的光滑激波面网格5，重构对称面网格4和出口面网格2，并将网格在激波面处进行适当加密，得到与激波匹配的多区对接结构化六面体网格。
(7)判断网格是否收敛。定义阀值为钝头体流向最小包络圆柱的直径的0.001～0.01倍，当残差低于位于这一区间某一给定的阀值时，认为网格已经收敛，结束循环，否则回到步骤(4)，进行下一轮循环迭代计算。
具体应用实例：
采用本发明技术针对半径25mm的球柱钝头体外形在马赫数7，攻角15°，静温255K，静压540Pa的状态点进行数值计算。图8给出了初始网格计算得到的流场对称面的等马赫线云图，图9给出了经过激波自适应迭代计算的最终流场的对称面的等马赫线云图。可以看到，激波自适应网格方法捕捉到的流场激波锐利，物理驻点等值线分布规则，无常见的非物理现象出现。这一流动结果表明，本发明技术生成的计算网格具有良好的激波匹配特性，对于钝头体类外形，可较为准确地捕捉激波，有效抑制激波后产生的非物理解，保证亚声速区域流动的真实模拟。
图10给出了初始网格钝头体壁面热流分布等值线，图11给出了激波自适应迭代计算后的钝头体壁面热流分布等值线。可以看到，初始网格壁面热流分布具有三个热流峰值点，其中两个峰值偏离对称面，热流分布异常；激波自适应迭代计算后的钝头体壁面热流分布只具有一个峰值点，且位于对称面，热流分布正常合理。
本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (13)

1.一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，所述钝头体流场为钝头体在空气中高速运动并能够在钝头体前方产生完全脱体激波的流场，其特征在于通过下述方式实现：
根据前方来流条件结合初始流场网格，计算初始三维全流场数据；根据流场马赫数分布捕捉激波网格点、将激波网格点组装为激波网格面并将激波网格面进行光顺处理；以激波网格面为内部对接边界重构流场网格使得激波附近的网格沿着激波面分布并在垂直于激波的方向进行网格加密，采用重构后的流场网格重新计算三维全流场数据；自动化进行迭代流场计算、激波捕捉、网格重构直至前后两次激波网格面的误差小于预设的阈值，完成结构网格的激波自适应生成；
所述的流场网格为多区对接结构化六面体网格。
2.根据权利要求1所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于通过下述步骤计算三维全流场数据：
(1)根据前方来流条件和钝头体驻点曲率半径计算得到驻点参考热流；
(2)利用步骤(1)中的计算得到的钝头体驻点参考热流计算钝头体网格的物面法向第一层网格高度；
(3)按照步骤(2)中计算得到的物面法向第一层网格高度生成初始流场的多区对接结构化六面体网格；
(4)根据步骤(1)中的来流条件和步骤(3)中的初始流场网格，采用数值求解三维可压缩雷诺平均Navier-Stokes方程的方式计算钝头体流场并获得三维全流场数据。
3.根据权利要求2所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述步骤(2)中确定钝头体物面法向第一层网格高度，采用基于参考热流的法向网格准则。
4.根据权利要求2所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述的驻点参考热流采用Fay-Riddle公式进行计算。
5.根据权利要求2所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述步骤(3)中生成的初始流场的多区对接结构化六面体网格包括远场边界，物面边界，对称面边界与出口边界；多区对接结构化六面体网格中的第一层网格高度保持不变即与步骤(2)一致。
6.根据权利要求1所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述的根据流场马赫数分布捕捉激波网格点具体通过下述方式实现：
按照网格分区的序号由小到大、网格面的序号由小到大、网格点的i方向序号由小到大、网格点的j方向序号由小到大的顺序，以远场边界面上的每个网格点为起点沿着远场至物面方向的网格线对网格线上的网格点进行马赫数探测，当遇到马赫数小于给定马赫数阈值的网格点则标记为激波点，并结束该条网格线探测。
7.根据权利要求6所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述马赫数阈值定义为自由来流马赫数的0.95～0.99倍。
8.根据权利要求6所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于通过下述方式组装激波网格面：
激波网格点按照网格分区的序号由小到大、网格面的序号由小到大、网格点的i方向序号由小到大、网格点的j方向序号由小到大的顺序，将激波点组装为保持原有网格分区的若干对接激波网格面。
9.根据权利要求1所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述的光顺处理为针对每一个激波点，保持其与物面法线不变、将其到钝头体物面的垂直距离调整至平均距离；所述平均距离为激波网格点本身与其相邻的所有激波点到钝头体物面的垂直距离的平均值。
10.根据权利要求2所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述步骤(4)中三维流场数据为格点型数据格式，包括笛卡尔三维空间坐标和马赫数。
11.根据权利要求1所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述误差为当前激波面与上一次捕获激波面所有编号对应的两两激波点距离的最大值。
12.根据权利要求1所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述阈值为钝头体特征长度的0.001～0.01倍。
13.根据权利要求12所述的一种钝头体流场激波自适应结构网格生成方法，其特征在于：所述钝头体特征长度为钝头体流向最小包络圆柱的直径。
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