CN112464583B - 一种考虑激波和边界层的网格生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑激波和边界层的网格生成方法。本发明通过初始流场捕捉激波位置，然后通过插值光滑获得激波面上的网格，保证激波与流向网格平行，同时在垂直表面方向上通过分段函数针对性布置激波和边界层区域的网格，从而生成能够用于开展扰动过激波的感受性过程研究的计算网格。

Description

一种考虑激波和边界层的网格生成方法
技术领域
本发明涉及网格生成技术领域，具体涉及一种考虑激波和边界层的网格生成方法。
背景技术
当空气高速掠过物体或者物体在自然界高速移动时，物体前缘附近会受到强烈压缩而形成冲击波，称为激波。激波后的气体继续流动吹向物体表面，因粘性作用气体附着在物体表面而形成附着薄层，称为边界层。理想情况下，边界层流动呈有规律的层流状态。但在外界干扰下，如空气中引入小扰动，层流逐渐转变为“杂乱无章”的湍流状态，这个过程称为转捩。转捩的发生一般由边界层内扰动失稳导致的，而边界层扰动可由自然空气中的扰动激发产生，这个过程称为感受性。空气中扰动激发边界层内扰动的感受性过程的关键阶段是扰动经过激波和激波后扰动进入边界层这两个阶段，因此如何在激波和边界层区域内安排网格分布，是通过CFD仿真计算方法准确模拟感受性的关键所在。
目前用于CFD计算的网格生成方法主要来自商业软件，如ICEM CFD、Griden、Pointwise、Gambit等，另外还有流体界学者根据自身研究需求编制的典型外形的网格生成技术。但是它们大多是通用技术，并不是专门针对感受性数值模拟研究的网格生成技术。其技术以及生成的网格存在以下不足：
(1)激波与网格不能保证平行。商业软件不能就已有的流场捕捉激波位置，从而不能根据激波位置布置与激波平行的网格，使得激波与网格相互交叉，在数值计算中容易因网格带来的数值扰动，不利于感受性问题研究。
(2)不能有效布置激波区域的网格。激波区域的网格一方面要平行于激波，另一方面在垂直于激波的网格分布上一阶导数和二阶导数要连续且保证网格数量足够密。这样的安排是为了保证扰动过激波时不会因网格不连续而出现扰动间断，或者因网格稀疏而扰动耗散衰减，导致不能准确捕捉激波后的扰动信息。但是现有网格生成技术还做不到这样的效果。
(3)不能保证边界层内在垂直表面方向上的网格数量。边界层内网格数量至少有100个点时才能保证边界层内流场及扰动的信息准确性。一般网格分布在垂直表面方向上从物体表面到上边界呈单一的指数分布，这样的后果是不能保证激波区域的网格数量。而且在贴近物体表面的网格数量要么过稀不能有效捕捉边界层信息，要么过密导致网格尺度过小而影响CFD计算效率。另外，如果分块单独安排边界层区域的网格，则不能保证边界层内外之间的网格连续性，同样不利于感受性CFD计算。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种考虑激波和边界层的网格生成方法解决了激波与网格不能保证平行、不能有效布置激波区域的网格以及不能保证边界层内在垂直表面方向上的网格数量的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种考虑激波和边界层的网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用商业软件画出钝锥的初始三维计算网格，并利用CFD软件在初始三维计算网格上模拟计算得到初始基本流场；
S2、根据当地马赫数的大小判断激波位置，当当地马赫数小于0.99倍的来流马赫数时，利用初始三维计算网格和初始基本流场识别激波位置，对激波位置在空间进行光滑处理，获得光滑连续的激波曲面；
S3、预估边界层的厚度，在边界层以及激波附近区域加密网格，将垂直表面方向的网格分为5段，得到五段组成的网格分布函数y(j)；
所述垂直表面方向的网格包括第一段网格、第二段网格、第三段网格、第四段网格和第五段网格；
S4、以激波位置为基准，将垂直表面方向的分布函数y(j)映射到具体每个流向和周向的位置，并通过空间插值方法从初始三维计算网格插值获得考虑激波进和边界层的网格。
进一步地：所述步骤S3中的第一段网格在边界层区域内以指数规律分布，所述第一段网格的分布函数为：
Figure BDA0002760343350000031
上式中，y1(j)为第一段网格的分布函数，yc1为边界层区域长度/厚度，p1为第一段网格的指数系数，jn1为第一段网格的边界区域网格点数，jn1>100。
进一步地：所述第三段网格为边界层与激波之间的区域，网格均匀分布，所述第三段网格的分布函数为y3(j)。
进一步地：所述第一段网格与第三段网格通过第二段网格以过渡方式连接，所述第二段网格的分布函数为：
Figure BDA0002760343350000032
上式中，y2(j)为第二段网格分布函数，jn2为第二段网格的边界区域网格点数，p2为第二段网格的指数系数，p2＝(j-1)/(jn2-1)。
进一步地：所述第五段网格为激波外区域并以指数规律分布，所述第三段网格与第五段网格通过第四段网格以过渡方式连接。
进一步地：所述步骤还包括：利用CFD软件在考虑激波进和边界层的网格上模拟计算得到基本流场。
本发明的有益效果为：本发明通过初始流场捕捉激波位置，然后通过插值光滑获得激波面上的网格，保证激波与流向网格平行，同时在垂直表面方向上通过分段函数针对性布置激波和边界层区域的网格，从而生成能够用于开展扰动过激波的感受性过程研究的计算网格。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明中初始计算网格的示意图；
图3为本发明中初始基本流场的示意图；
图4为本发明中网格和激波的分布情况示意图；
图5为本发明中生成的垂直表面方向的网格分布规律示意图；
图6a为本发明中生成的计算网格的正面示意图；
图6b为本发明中生成的计算网格的侧面示意图；
图7a为本发明中计算网格下的基本流场示意图；
图7b为本发明中计算网格下的激波与网格分布情况示意图；
图7c为本发明中计算网格中边界层网格分布情况。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种考虑激波和边界层的网格生成方法，包括以下步骤：
S1、利用商业软件画出钝锥的初始三维计算网格，如图2所示，并利用CFD软件在初始三维计算网格上模拟计算得到初始基本流场，如图3所示；图4给出初始三维计算网格和基本流场在激波附近的局部放大图，可以看出激波附近网格与激波不平行，且附近的流场出现毛刺、不光滑的现象，激波后的流场出现抖动。
S2、根据当地马赫数的大小判断激波位置，当当地马赫数小于0.99倍的来流马赫数时，利用初始三维计算网格和初始基本流场识别激波位置，此时获得的激波位置在空间上不连续，需要对激波位置在空间进行光滑处理，获得光滑连续的激波曲面；
S3、预估边界层的厚度，在边界层以及激波附近区域加密网格，将垂直表面方向的网格分为5段，得到五段组成的网格分布函数y(j)；如图5所示，曲线的斜率越小表示网格分布越密。
所述垂直表面方向的网格包括第一段网格、第二段网格、第三段网格、第四段网格和第五段网格；
S4、以激波位置为基准，将垂直表面方向的分布函数y(j)映射到具体每个流向和周向的位置，并通过空间插值方法从初始三维计算网格插值获得考虑激波进和边界层的网格。如图6a和图6b所示。可以看出在边界层和激波附近区域网格点都得到加密。
所述步骤还包括：利用CFD软件在考虑激波和边界层的网格上模拟计算得到基本流场。如图7a、7b和7c所示。可以看出，在激波附近没有毛刺，激波流场没有抖动，边界层流场品质非常好。
所述步骤S3中的第一段网格在边界层区域内以指数规律分布，即从表面向外网格逐渐放稀，所述第一段网格的分布函数为：
Figure BDA0002760343350000051
上式中，y1(j)为第一段网格的分布函数，yc1为边界层区域长度/厚度，p1为第一段网格的指数系数，jn1为第一段网格的边界区域网格点数，jn1>100。
所述第三段网格为边界层与激波之间的区域，网格均匀分布，所述第三段网格的分布函数为y3(j)。
所述第一段网格与第三段网格通过第二段网格以过渡方式连接，所述第二段网格的分布函数为：
Figure BDA0002760343350000061
上式中，y2(j)为第二段网格分布函数，jn2为第二段网格的边界区域网格点数，p2为第二段网格的指数系数，p2＝(j-1)/(jn2-1)。
所述第五段网格为激波外区域并以指数规律分布，形式与第一段网格的分布函数类似，所述第三段网格与第五段网格通过第四段网格以过渡方式连接，所述第四段网格的形式与第二段网格的分布函数类似。

Claims (5)

1.一种考虑激波和边界层的网格生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用商业软件画出钝锥的初始三维计算网格，并利用CFD软件在初始三维计算网格上模拟计算得到初始基本流场；
S2、根据当地马赫数的大小判断激波位置，当当地马赫数小于0.99倍的来流马赫数时，利用初始三维计算网格和初始基本流场识别激波位置，对激波位置在空间进行光滑处理，获得光滑连续的激波曲面；
S3、预估边界层的厚度，在边界层以及激波附近区域加密网格，将垂直表面方向的网格分为5段，得到五段组成的网格分布函数y(j)；
所述垂直表面方向的网格包括第一段网格、第二段网格、第三段网格、第四段网格和第五段网格；
S4、以激波位置为基准，将垂直表面方向的分布函数y(j)映射到具体每个流向和周向的位置，并通过空间插值方法从初始三维计算网格插值获得考虑激波和边界层的网格；
所述步骤S3中的第一段网格在边界层区域内以指数规律分布，所述第一段网格的分布函数为：
Figure FDA0004056798380000011
上式中，y1(j)为第一段网格的分布函数，yc1为边界层区域长度除以厚度，p1为第一段网格的指数系数，jn1为第一段网格的边界区域网格点数，jn1>100。
2.根据权利要求1所述的考虑激波和边界层的网格生成方法，其特征在于，所述第三段网格为边界层与激波之间的区域，网格均匀分布，所述第三段网格的分布函数为y3(j)。
3.根据权利要求2所述的考虑激波和边界层的网格生成方法，其特征在于，所述第一段网格与第三段网格通过第二段网格以过渡方式连接，所述第二段网格的分布函数为：
Figure FDA0004056798380000021
上式中，y2(j)为第二段网格分布函数，jn2为第二段网格的边界区域网格点数，p2为第二段网格的指数系数，p2＝(j-1)/(jn2-1)。
4.根据权利要求3所述的考虑激波和边界层的网格生成方法，其特征在于，所述第五段网格为激波外区域并以指数规律分布，所述第三段网格与第五段网格通过第四段网格以过渡方式连接。
5.根据权利要求1所述的考虑激波和边界层的网格生成方法，其特征在于，所述步骤还包括：利用CFD软件在考虑激波和边界层的网格上模拟计算得到基本流场。
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