CN110704955A - 旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，包括以下步骤：(1)采用三维CAD软件绘画出计算模型，计算模型由旋翼和机身两个部分组成，其中旋翼由三片桨叶组成，设定桨叶长度为5.2m，此处只对直升机处于悬停状态下的流场进行计算；(2)设置计算区域。本发明旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，通过模型构造，设置计算区域进行网格划分，采用在每个时间步，使用移动网格技术移动旋转区域的网格来模拟旋翼与机身的相对运动，在交界面处添加合适的条件交换流场的信息，然后采用全耦合的形式进行求解，快速获得高保真度的数值计算结果。
Description
技术领域
本发明涉及旋翼型无人机全流场的高保真度数值模拟技术领域，具体涉及旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法。
背景技术
旋翼型无人机全流场的高保真度数值模拟是当前计算流体力学领域极具挑战性和重要意义的研究方向。与传统的非旋翼型飞行器空气动力学分析问题相比，此类问题的挑战主要体现在以下几个方面：(1)旋翼与机身之间的相对运动涉及移动网格、相对运动模拟、多物理量高精度插值等多种方法的耦合；(2)无人机复杂的外形导致其计算网格十分复杂且网格量巨大；(3)旋翼和机身之间的相互作用导致其流场结构极为复杂。，在过去的几十年里，由于受计算机计算能力的限制，大部分关于旋翼型无人机外流场的研究主要集中在低保真度方法的研究因此，为实现旋翼型无人机复杂外流场的高保真度数值模拟，需要研发高效的数值计算方法。
发明内容
本发明的目的在于提供旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，包括以下步骤：
(1)采用三维CAD软件绘画出计算模型，计算模型由旋翼和机身两个部分组成，其中旋翼由三片桨叶组成，设定桨叶长度为5.2m，此处只对直升机处于悬停状态下的流场进行计算，对无人机的外流场计算区域设定为直径为6.5m，高为14m；
(2)设置计算区域，无人机旋翼部分在旋转区域Ωr，机身部分在固定区域Ωs，两部分被Γinterface交界面分开；
(3)采用非结构四面体网格，进行网格划分；
(4)在每个时间步，使用移动网格技术移动旋转区域的网格来模拟旋翼与机身的相对运动，在交界面处添加合适的条件交换流场的信息，然后采用全耦合的形式进行求解；
(5)采用基于径向基函数的插值方法；
(6)通过选取离待插值点最近的若干点来构造相应的插值，可以构造足够高精度的插值方法，其具体形式如下：
其中，m为用于插值的节点个数；ωi为对应插值点的权函数；为固定区域的网格点；
为旋转区域的网格点。
优选的，所述步骤(4)中基于径向基函数的插值方法，一方面可以提高插值精度，另一方面还能很好地处理的待插值点不在网格内部的问题。
优选的，所述步骤(5)中，在interface插值过程中，我们把旋转区域的值vr作为主元，即vs的值均由vr插值给出，同时在这个步骤中只是给出插值关系式，所有vs和vr是未知的，在每一个时间步求解整个全隐式耦合系统后才能得出它们的值；
其中，vr和vs分别为旋转区域和固定区域流体的速度矢量。
优选的，所述步骤(3)中，对无人机附近区域采用的网格尺度较小，远离无人机区域的网格尺度相对较大，另外，为保证交界面上的插值精度，交界面附近的网格尺度也相对较小，两层网格数量分别为28667和28654，整个计算区域的网格单元数约为12000000。
优选的，所述步骤(5)中的基函数为其中τ是关于网格尺寸的一个参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过模型构造，设置计算区域进行网格划分，然后采用在每个时间步，使用移动网格技术移动旋转区域的网格来模拟旋翼与机身的相对运动，在交界面处添加合适的条件交换流场的信息，然后采用全耦合的形式进行求解，这样的计算方法，快速获得高保真度的数值计算结果，并且面对证流体在交界面的充分连续性，采用基于径向基函数的插值方法，该方法完全脱离网格，通过选取离待插值点最近的若干点来构造相应的插值，可以构造足够高精度的插值方法，进一步的提高了数值计算的精确度。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种技术方案：旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，包括以下步骤：
(1)采用三维CAD软件绘画出计算模型，计算模型由旋翼和机身两个部分组成，其中旋翼由三片桨叶组成，设定桨叶长度为5.2m，此处只对直升机处于悬停状态下的流场进行计算，对无人机的外流场计算区域设定为直径为6.5m，高为14m。
(2)设置计算区域，无人机旋翼部分在旋转区域Ωr，机身部分在固定区域Ωs，两部分被Γinterface交界面分开；
(3)采用非结构四面体网格，进行网格划分；
(4)在每个时间步，使用移动网格技术移动旋转区域的网格来模拟旋翼与机身的相对运动，在交界面处添加合适的条件交换流场的信息，然后采用全耦合的形式进行求解；
(5)采用基于径向基函数的插值方法；
(6)通过选取离待插值点最近的若干点来构造相应的插值，可以构造足够高精度的插值方法，其具体形式如下：
其中，m为用于插值的节点个数；ωi为对应插值点的权函数；
为固定区域的网格点；
为旋转区域的网格点。
步骤(4)中基于径向基函数的插值方法，一方面可以提高插值精度，另一方面还能很好地处理的待插值点不在网格内部的问题。
步骤(5)中，在interface插值过程中，我们把旋转区域的值vr作为主元，即vs的值均由vr插值给出，同时在这个步骤中只是给出插值关系式，所有vs和vr是未知的，在每一个时间步求解整个全隐式耦合系统后才能得出它们的值，其中，vr和vs分别为旋转区域和固定区域流体的速度矢量。
步骤(3)中，对无人机附近区域采用的网格尺度较小，远离无人机区域的网格尺度相对较大，另外，为保证交界面上的插值精度，交界面附近的网格尺度也相对较小，两层网格数量分别为28667和28654，整个计算区域的网格单元数约为12000000。
步骤(5)中的基函数为
其中τ是关于网格尺寸的一个参数。
通过模型构造，设置计算区域进行网格划分，然后采用在每个时间步，使用移动网格技术移动旋转区域的网格来模拟旋翼与机身的相对运动，在交界面处添加合适的条件交换流场的信息，然后采用全耦合的形式进行求解，这样的计算方法，可快速获得高保真度的数值计算结果，并且面对证流体在交界面的充分连续性，采用基于径向基函数的插值方法，该方法完全脱离网格，通过选取离待插值点最近的若干点来构造相应的插值，可以构造足够高精度的插值方法，进一步的提高了数值计算的精确度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用三维CAD软件绘画出计算模型，计算模型由旋翼和机身两个部分组成，其中旋翼由三片桨叶组成，设定桨叶长度为5.2m，此处只对直升机处于悬停状态下的流场进行计算，对无人机的外流场计算区域设定为直径为6.5m，高为14m；
(2)设置计算区域，无人机旋翼部分在旋转区域Ωr，机身部分在固定区域Ωs，两部分被Γinterface交界面分开；
(3)采用非结构四面体网格，进行网格划分；
(4)在每个时间步，使用移动网格技术移动旋转区域的网格来模拟旋翼与机身的相对运动，在交界面处添加合适的条件交换流场的信息，然后采用全耦合的形式进行求解；
(5)采用基于径向基函数的插值方法；
(6)通过选取离待插值点最近的若干点来构造相应的插值，可以构造足够高精度的插值方法，其具体形式如下：
其中，m为用于插值的节点个数；ωi为对应插值点的权函数；
为固定区域的网格点；
为旋转区域的网格点。
2.根据权利要求1所述的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)中基于径向基函数的插值方法，一方面可以提高插值精度，另一方面还能很好地处理的待插值点不在网格内部的问题。
3.根据权利要求1所述的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)中，在interface插值过程中，我们把旋转区域的值vr作为主元，即vs的值均由vr插值给出，同时在这个步骤中只是给出插值关系式，所有vs和vr是未知的，在每一个时间步求解整个全隐式耦合系统后才能得出它们的值；
其中，vr和vs分别为旋转区域和固定区域流体的速度矢量。
4.根据权利要求3所述的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对无人机附近区域采用的网格尺度较小，远离无人机区域的网格尺度相对较大，另外，为保证交界面上的插值精度，交界面附近的网格尺度也相对较小，两层网格数量分别为28 667和28 654，整个计算区域的网格单元数约为12000 000。
5.根据权利要求1所述的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)中的基函数为
其中τ是关于网格尺寸的一个参数。
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| US20100268517A1 (en) * | 2009-04-21 | 2010-10-21 | Airbus Operations (Societe Par Actions Simplifiee) | Method and tool for simulation of the aerodynamic behaviour of an aircraft in flight close to the ground |
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Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 程载恒: "面向旋翼型无人机空气动力学分析的高性能数值算法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技II辑》 * |
| 程载恒等: "基于非结构滑移网格技术的旋翼型无人机空气动力学并行数值模拟方法", 《集成技术》 * |
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