CN112699498A - 基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法 - Google Patents

基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及计算流体力学领域，公开了一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法，该方法采用物理量周围单元的平均物理量对网格单元物理量进行归一化缩放，消除了喷流周围物理量和流场物理量量级差异带来的梯度计算误差，通过间断因子和激波判别指标的引入，建立了物理量间断分布特征的量化表征，实现了含有喷流流场的激波判别。本发明提出的方法避免了传统方法梯度求解，仅依赖局部相邻区域的流场变量；该方法降低了激波判别算法的计算和存储开销，同时防止了喷流出口处大梯度区域的激波误判，为喷流入射高速流动复杂流场提供了一种新的快速激波判别方法。

Description

基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法
技术领域
本发明涉及计算流体力学领域，具体涉及一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法。
背景技术
激波是超声速飞行器流动的典型物理特征，激波判别是计算流体力学流动显示和算法设计等领域涉及的一项核心技术。当前普遍采用的激波判别方法是流场梯度方法，该方法除了要用到网格单元上的物理量分布之外，还需要基于几何量计算物理量权值并采用较宽的模板对单元的梯度进行重构，由此带来了基于流场梯度方法计算量大的缺点。除此之外，梯度的计算包含了物理量本身的差量和网格相邻几何曲率的影响，在网格相邻几何曲率较大（如驻点或前缘区域）的情况下也会得到较大的梯度而带来激波的误判。更严重的是，基于流场梯度的方法给包含喷流入射的流场计算带来了很大的问题，因为喷流出口附近物理量相对于来流物理量基本上大了数百个量级，按照传统梯度方法计算，在网格尺度基本一致的情况下，喷流出口附近也会计算得到较大的流场梯度，该梯度与激波处梯度数值比较相近，因此采用梯度的判别方法在数学原理上无法对二者进行区分，亟需寻找新的适用于包含喷流入射情况下流场的高效激波判别方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于归一化物理量间断的喷流激波快速判别方法，该方法考虑到喷流附近区域物理量（压力等）梯度较大是由于其物理量本身相对于来流的放大效应导致的，因此为了消除这种数值放大效应对喷流区域梯度计算的影响，从利用周围物理量特征进行归一化的思想出发，通过间断因子的引入，实现了物理量间断分布特征的量化表征，进而用于激波的判别。
本发明采用的技术方案如下：
步骤1：给定网格单元上的流场变量值为f，针对网格单元i和与其共面的相邻网格单元j，利用网格单元i和其共面的相邻网格单元j的物理量分布平均特征，对流场变量进行归一化缩放：
Figure 596613DEST_PATH_IMAGE001
进行缩放后的物理量分布变化在整个流场区域上不会因为绝对值的大小给间断的计算带来误判。
然后通过归一化后的物理量，计算网格单元的方向间断因子：
Figure 46049DEST_PATH_IMAGE002
通过方向间断因子，来代替传统的梯度求解。因为物理量经过归一化后，物理量本身的变化就表征了流场中物理量的变化剧烈程度，因此可以省去梯度的求解，而直接采用间断因子表征。
步骤2：遍历网格单元i附近所有
Figure DEST_PATH_IMAGE003
个和其共面的相邻网格单元，将附近最大的方向间断因子作为网格单元i的间断因子
Figure 415850DEST_PATH_IMAGE004
：
Figure 368763DEST_PATH_IMAGE005
。
步骤3：针对具体的计算构型，统计每一个网格单元的间断因子
Figure 165818DEST_PATH_IMAGE006
，构成间断因子集合；
在间断因子集合中任意找出一个间断因子，判断该间断因子对应的网格单元是否满足以下要求：
既能标记出所关注的激波位置，又能避免喷流出口区域大梯度区的激波误判；
若满足要求，则将该间断因子
Figure 774653DEST_PATH_IMAGE006
标定为临界因子
Figure 10463DEST_PATH_IMAGE007
，若不满足要求，则继续重新寻找，直到找出一个满足要求的间断因子，并将其标定为临界因子
Figure 21144DEST_PATH_IMAGE007
。
步骤4：激波相交网格单元的判别。当满足下式条件时，网格单元i判定为激波相交单元：
Figure 989100DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步的，在重新寻找满足要求的临界因子过程中，可采用二分法的方式搜索激波判别临界因子。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：该激波判别方法避免了求解流场梯度，且仅依赖局部相邻区域流场值，计算量和存储开销都很小，计算速度快。同时，基于单元附近流场均值的归一化思想，该激波判别方法能有效解决喷流入射流场喷流大梯度区域的激波判别问题。
附图说明
图1是网格单元i共面相邻网格单元示意图。
图2是弹体几何构型、来流条件和喷流入口条件示意图。
图3是弹体高速流动典型波系结构示意图。
图4是弹体表面及对称面上网格单元间断因子分布示意图。
图5是弹体表面及对称面上压力梯度分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本实施例提供一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法，该方法从利用周围物理量特征进行归一化的思想出发，采用物理量周围单元的平均物理量对网格单元物理量进行归一化缩放，消除了喷流周围物理量和流场物理量量级差异带来的梯度计算误差，通过间断因子和激波判别指标的引入，建立了物理量间断分布特征的量化表征，实现了含有喷流流场的激波判别。
具体步骤如下：
步骤1：给定网格单元上的流场变量值为f，针对网格单元i和与其共面的相邻网格单元j，如图1所示，利用网格单元i和其共面的相邻网格单元j的物理量分布平均特征，对流场变量进行归一化缩放：
Figure 350811DEST_PATH_IMAGE001
（1）
进行缩放后的物理量分布变化在整个流场区域上不会因为绝对值的大小给间断的计算带来误判。
然后通过归一化后的物理量，计算网格单元的方向间断因子：
Figure 62415DEST_PATH_IMAGE002
（2）
通过方向间断因子，来代替传统的梯度求解。因为物理量经过归一化后，物理量本身的变化就表征了流场中物理量的变化剧烈程度，因此可以省去梯度的求解，而直接采用间断因子表征。
步骤2：遍历网格单元i附近所有
Figure 927603DEST_PATH_IMAGE003
个和其共面的相邻网格单元，将附近最大的方向间断因子作为网格单元i的间断因子
Figure 925515DEST_PATH_IMAGE006
：
Figure 508943DEST_PATH_IMAGE005
。（3）
步骤3：针对具体的计算构型，统计每一个网格单元的间断因子
Figure 758659DEST_PATH_IMAGE006
，构成间断因子集合；在间断因子集合中找出一个间断因子，判断该间断因子对应的网格单元是否满足以下要求：
该网格单元即能标记出所关注的激波位置，又能避免喷流出口区域大梯度区的激波误判。
若满足要求，则将该间断因子
Figure 806249DEST_PATH_IMAGE006
标定为临界因子
Figure 116008DEST_PATH_IMAGE007
，若不满足要求，则采用二分法继续重新寻找，直到找出一个满足要求的间断因子，并将其标定为临界因子
Figure 452311DEST_PATH_IMAGE007
。
而对于相同的计算构型，由相似准则可知，激波判别可采用相同的临界因子
Figure 505718DEST_PATH_IMAGE007
。
由间断因子的定义可知，网格单元间断因子
Figure 345498DEST_PATH_IMAGE006
∈[0,1]，因此，在上述过程中是采用二分法来搜索激波判别临界因子。
步骤4：激波相交网格单元的判别。当满足下式条件时，即网格单元的间断因子大于或等于激波判别临界因子时，网格单元i判定为激波相交单元：
Figure 682283DEST_PATH_IMAGE008
。（4）
至此完成所有网格单元的激波判别。
本实施例提出的激波判别方法也适用于流场变量存储在网格节点的情况，此时间断因子在网格节点求解，相邻网格节点为共享网格边的网格节点。该方法避免了传统方法梯度求解，仅依赖局部相邻区域的流场变量。该方法降低了激波判别算法的计算和存储开销，同时防止了喷流出口处大梯度区域的激波误判，为喷流入射高速流动复杂流场提供了一种新的快速激波判别方法。
下面提供一个具体的实施实例。
选定计算几何构型如附图2所示，该构型为典型超声速侧向喷流计算构型。计算来流条件为：马赫数
Figure 974724DEST_PATH_IMAGE009
、静压
Figure 831821DEST_PATH_IMAGE010
、静温
Figure 588425DEST_PATH_IMAGE011
、攻角
Figure 239986DEST_PATH_IMAGE012
和侧滑角
Figure 285302DEST_PATH_IMAGE013
，喷流入口条件为：喉道马赫数
Figure 742829DEST_PATH_IMAGE014
、静压
Figure 291622DEST_PATH_IMAGE015
和静温
Figure 441980DEST_PATH_IMAGE016
。
使用NNW-FlowStar软件计算流场，得到流场变量在网格单元上的分布。由压力云图可知，该构型超声速状态时激波包含弹体头部激波、喷流前激波和分离涡前激波。该构型超声速流动波系典型结构如附图3所示。
根据步骤1，选择网格单元上的流场压力，针对每个网格单元，首先按式(1)进行压力的归一化；其次，按式(2)计算该网格单元的方向间断因子；然后根据步骤2，遍历共面相邻网格单元并按式(3)求得网格单元的间断因子
Figure 709014DEST_PATH_IMAGE006
。
当求得所有网格单元间断因子
Figure 907914DEST_PATH_IMAGE006
后，可得到间断因子的分布图，如附图4所示。
根据步骤3，采用二分法标定激波判别临界因子
Figure 576792DEST_PATH_IMAGE007
。首先，对比附图3中的波系结构和附图4中间断因子分布，选择强度较弱的弹体头部激波位置的间断因子作为临界因子的初始值
Figure 835735DEST_PATH_IMAGE017
，此处约为0.2。由于
Figure 590065DEST_PATH_IMAGE017
>0.2时，弹体头部激波处会因网格的间断因子小于
Figure 186131DEST_PATH_IMAGE017
而不会被标记为激波相交单元，造成激波漏判，因此，下一步将在[0,0.2]区间中搜索满足要求的
Figure 709516DEST_PATH_IMAGE017
。
进一步采用二分法取中值
Figure 139361DEST_PATH_IMAGE017
=0.1，此时既能保证弹体头部激波的标记，又可避免喷流入射入口处的非激波区域的误判，满足步骤三中激波判别临界因子的要求。因此，取
Figure 177724DEST_PATH_IMAGE017
=0.1。
根据步骤4，按式(4)的条件，依次判定每个网格单元的是否为激波相交单元，完成所有网格单元的激波判别。
图5给出了压力梯度的分布图，可以看出，喷流入射入口区域压力梯度值与喷流前强激波处梯度值的量值相当，难以区分，并且，此时弹体头部弱激波难以识别完整。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法，其特征在于，包括：
步骤1：针对任意一个网格单元，利用该网格单元和其共面的相邻网格单元的物理量分布平均特征，对流场变量进行归一化缩放，得到归一化后的物理量，再通过该物理量计算该网格单元的方向间断因子；
其中，流场变量归一化缩放公式如下：
Figure 617476DEST_PATH_IMAGE001
f表示网格单元上的流场变量值，i表示网格单元，j表示与网格单元i共面相邻的网格单元；
步骤2：遍历该网格单元附近所有和其共面的相邻网格单元，将附近最大的方向间断因子作为该网格单元的间断因子；
步骤3：统计所有网格单元的间断因子，并在其中标定出激波判别临界因子；
步骤4：如果某网格单元的间断因子大于或等于激波判别临界因子时，则判断该网格单元为激波相交单元。
2.根据权利要求1所述的一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法，其特征在于，所述步骤3包括：
步骤31：针对具体的计算构型，统计每一个网格单元的间断因子，构成间断因子集合；
步骤32：在间断因子集合中找出一个间断因子，判断该间断因子对应的网格单元是否满足以下要求：
既能标记出所关注的激波位置，又能避免喷流出口区域大梯度区的激波误判；
步骤33：若满足要求，则将该间断因子标定为临界因子，若不满足要求，则继续重新寻找，直到找出一个满足要求的间断因子，并将其标定为临界因子。
3.根据权利要求2所述的一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法，其特征在于，所述步骤33中，采用二分法的方式重新寻找符合要求的间断因子。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于归一化物理量间断特征的喷流模拟激波快速判别方法，其特征在于，所述方向间断因子的计算公式如下：
Figure 981461DEST_PATH_IMAGE002
。
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