CN114580221B - 一种跨流域缝隙流量快速计算方法 - Google Patents

一种跨流域缝隙流量快速计算方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114580221B
CN114580221B CN202210492056.8A CN202210492056A CN114580221B CN 114580221 B CN114580221 B CN 114580221B CN 202210492056 A CN202210492056 A CN 202210492056A CN 114580221 B CN114580221 B CN 114580221B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gap
calculation
gap flow
flow
prediction model
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202210492056.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114580221A (zh
Inventor
江定武
李锦�
王沛
王新光
郭勇颜
万钊
毛枚良
黎昊旻
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Original Assignee
Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center filed Critical Computational Aerodynamics Institute of China Aerodynamics Research and Development Center
Priority to CN202210492056.8A priority Critical patent/CN114580221B/zh
Publication of CN114580221A publication Critical patent/CN114580221A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114580221B publication Critical patent/CN114580221B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/18—Network design, e.g. design based on topological or interconnect aspects of utility systems, piping, heating ventilation air conditioning [HVAC] or cabling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
    • G06F2111/10—Numerical modelling
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00—Details relating to the application field
    • G06F2113/08—Fluids
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Business, Economics & Management (AREA)
  • Economics (AREA)
  • Strategic Management (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Human Resources & Organizations (AREA)
  • Development Economics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Game Theory and Decision Science (AREA)
  • Tourism & Hospitality (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • General Business, Economics & Management (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Marketing (AREA)
  • Entrepreneurship & Innovation (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明公开了一种跨流域缝隙流量快速计算方法，涉及缝隙流量计算领域，包括：获得建立缝隙流量预测模型所需的缝隙宽度以及若干个计算状态组成的计算状态组合；基于缝隙宽度和稀薄参数生成物理空间网格；从所述计算状态组合中选取一个计算状态，基于所述物理空间网格进行计算获得通过缝隙的第一缝隙流量值；重复执行上述步骤直至所有计算状态均完成计算，获得所有计算状态对应的缝隙流量值计算结果；基于缝隙流量值计算结果构建缝隙流量预测模型；基于缝隙流量预测模型进行缝隙流量预测；本方法计算量小，且能够满足缝隙流量快速计算的需求。

Description

一种跨流域缝隙流量快速计算方法
技术领域
本发明涉及缝隙流量计算领域，具体地，涉及一种跨流域缝隙流量快速计算方法。
背景技术
通过缝隙的气体流量与缝隙两侧的压差/压比之间的关系在工程应用和科学研究中具有重要的价值。例如，医院负压病房和相邻洁净区域压差的选定及维持，高铁运行过程中通过隧道时的气压舒适性问题，真空设备设计，微流体，航天飞行器设计，气流计量学等。
在通常条件下（标准大气压、室温），空气很稠密，缝隙在毫米量级，稀薄程度低，连续性假设成立，求解NS方程甚至是Euler方程就可以得到准确的缝隙流量。
当环境压力降低（例如在70km以上高空）时，分子自由程增加，稀薄程度增强，需要借助于DSMC或者玻尔兹曼类方法来进行精确求解。
在缝隙两侧压差较小（应用中经常会遇到这种情况）时，采用DSMC方法会面临噪声较大，计算收敛慢的问题，而求解玻尔兹曼模型方程的统一气体动理学方法则不受影响。然而，统一气体动理学方法因为需要同时在物理空间和速度空间进行离散求解，计算量比较大。如果针对任何可能的缝隙压比、稀薄参数都进行在线求解的话，无法满足缝隙流量快速计算和实时监测的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种跨流域缝隙流量快速计算方法，本方法计算量小，且能够满足缝隙流量快速计算和实时监测的需求。
为实现上述发明目的，本发明提供了一种跨流域缝隙流量快速计算方法，所述方法包括：
步骤1：获得建立缝隙流量预测模型所需的缝隙宽度以及若干个计算状态组成的计算状态组合，其中，计算状态中的参数包括：缝隙压比信息和稀薄参数信息；
步骤2：基于所述缝隙宽度和所述稀薄参数生成物理空间网格；
步骤3：从所述计算状态组合中选取一个计算状态，基于所述物理空间网格进行计算获得通过缝隙的第一缝隙流量值；
步骤4：重复执行步骤3直至所述计算状态组合中的所有计算状态均完成计算，获得所有计算状态对应的缝隙流量值计算结果；
步骤5：基于所述缝隙流量值计算结果构建缝隙流量预测模型；
步骤6：基于所述缝隙流量预测模型进行缝隙流量预测。
其中，本方法设定设定一系列压比、稀薄参数进行先期数值模拟，得到对应的缝隙流量之后，通过有理式进行拟合，建立流量与压比、稀薄参数之间的函数关系（即流量预测模型），进而将此函数关系式输入缝隙流量监测控制系统，缝隙流量监测控制系统根据实时测得的压比、稀薄参数对通过缝隙的流量进行快速计算和实时监测。
优选的，所述步骤5还包括：
评估所述缝隙流量预测模型的预测值与流量真值之间的相对偏差，基于所述相对偏差获得平均偏差，平均偏差作为流量预测模型的一个参数特征，若所述平均偏差小于缝隙流量监测控制系统需求阈值则执行所述步骤6，若所述平均偏差大于或等于缝隙流量监测控制系统需求阈值，则对所述缝隙流量预测模型进行调整。
其中，通过评估所述缝隙流量预测模型的预测值与流量真值之间的相对偏差可以评估模型预测是否准确，可以提高模型预测的精度，进而提高方法整体的精度。
优选的，所述相对偏差的计算方式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
为相对偏差，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为所述缝隙流量预测模型的预测值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为流量真值。
优选的，将每一个计算状态的相对偏差相加后除以状态总数得到平均偏差。
优选的，所述缝隙流量预测模型采用以下公式进行预测：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
为所述缝隙流量预测模型的预测值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
为系数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
为缝隙两侧压比，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
为稀薄参数。
其中，本方法通过对计算状态进行计算获得计算结果，基于计算结果对上述公式中的系数进行拟合，最终拟合的结果实现模型的构建。
优选的，针对每一个缝隙两侧压比
Figure 35699DEST_PATH_IMAGE024
确定一组系数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
的具体值，得到共计
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
组系数，
Figure 226640DEST_PATH_IMAGE030
为压比
Figure 827386DEST_PATH_IMAGE024
可能的取值数目，
Figure 25149DEST_PATH_IMAGE030
大于或等于3；设定系数
Figure 307225DEST_PATH_IMAGE028
为缝隙两侧压比
Figure 70782DEST_PATH_IMAGE024
的函数，得到如下函数关系：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
为系数。
优选的，稀薄参数的计算方式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
为稀薄参数，缝隙宽度为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
，缝隙左右两侧温度同为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
，粘性系数同为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
，最可几速度同为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
为气体常数，缝隙左右两侧压力分别为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
与
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
，缝隙两侧压比
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
。
优选的，所述方法基于所述物理空间网格采用统一气体动理学方法计算获得通过缝隙的第一缝隙流量值。在缝隙两侧压差较小（应用中经常会遇到这种情况）时，采用DSMC方法会面临噪声较大，计算收敛慢的问题，而求解玻尔兹曼模型方程的统一气体动理学方法则不受影响。
优选的，考虑到我们的简化问题是这样的：缝隙左侧是压力
Figure 200019DEST_PATH_IMAGE050
、温度
Figure DEST_PATH_IMAGE055
的静止气体，缝隙右侧是压力
Figure 88340DEST_PATH_IMAGE052
、温度
Figure 439687DEST_PATH_IMAGE055
的静止气体，突然把缝隙隔板拿开，寻找通过缝隙流量的稳定值。为了模拟真实物理过程，我们按照如下方法设置初始流场。初始流场中缝隙左侧每个物理空间网格单元的压力、温度和宏观速度分别取
Figure 57750DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 469140DEST_PATH_IMAGE055
和0，分布函数取压力
Figure 375916DEST_PATH_IMAGE050
、温度
Figure 265375DEST_PATH_IMAGE055
和宏观速度为0时对应的平衡态分布函数；缝隙右侧每个物理空间网格单元的压力、温度和宏观速度分别取
Figure 944137DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 526428DEST_PATH_IMAGE055
和0，分布函数取压力
Figure 717238DEST_PATH_IMAGE052
、温度
Figure 816912DEST_PATH_IMAGE055
和宏观速度为0时对应的平衡态分布函数。
优选的，统一气体动理学方法中二维速度空间采用均匀分布笛卡尔网格，二维速度空间网格的两个方向分别为u和v，二维速度空间网格范围设置为大于或等于
Figure DEST_PATH_IMAGE057
且小于或等于
Figure DEST_PATH_IMAGE059
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE061
为温度等于
Figure 488196DEST_PATH_IMAGE055
时的最可几速度。速度空间网格网格上下限这样设置能够确保上下限附近的分布函数值足够小（比其在整个速度空间中的最大值小5个量级以上），这样一来可以尽可能减少统一气体动理学方法计算中的数值积分误差。
本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本方法计算量小，且能够满足缝隙流量快速计算和实时监测的需求。在建立流量预测模型的过程中，采用了统一气体动理学方法，该方法在压比接近于1的问题中相对于常用的DSMC方法，没有统计噪声的问题，计算收敛快，因而计算量小。建立流量预测模型后，针对模型适用范围内的任意压比、任意稀薄参数，只需代入一个公式（流量预测模型），就可以得到该状态下的缝隙流量。与采用统一气体动理学方法迭代求解缝隙流量相比，计算量几乎可以忽略不计，因而能够实现快速计算。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为一种跨流域缝隙流量快速计算方法的流程示意图；
图2为缝隙示意图；
图3给出了物理空间计算网格示意图；
图4为数值模拟和模型预测得到的缝隙流量对比示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
请参考图1，图1为一种跨流域缝隙流量快速计算方法的流程示意图，本发明实施例一提供了一种跨流域缝隙流量快速计算方法，所述方法包括：
步骤1：获得建立缝隙流量预测模型所需的缝隙宽度以及若干个计算状态组成的计算状态组合，其中，计算状态中的参数包括：缝隙压比信息和稀薄参数信息；
步骤2：基于所述缝隙宽度和所述稀薄参数生成物理空间网格；
步骤3：从所述计算状态组合中选取一个计算状态，基于所述物理空间网格进行计算获得通过缝隙的第一缝隙流量值；
步骤4：重复执行步骤3直至所述计算状态组合中的所有计算状态均完成计算，获得所有计算状态对应的缝隙流量值计算结果；
步骤5：基于所述缝隙流量值计算结果构建缝隙流量预测模型；
步骤6：基于所述缝隙流量预测模型进行缝隙流量预测。
本实施例采用数值手段对不同稀薄程度下通过缝隙的流动进行模拟，得到缝隙流量之后，建立流量与稀薄参数、缝隙两侧压比的函数关系（即缝隙流量预测模型），将此函数关系式输入缝隙流量监测控制系统，缝隙流量监测控制系统根据实时测得的压比、稀薄参数对通过缝隙的流量进行快速计算和实时监测。
其中，缝隙流量检测控制系统可以视为一个统称，在具体的高速列车应用中，称之为车厢压力保护系统(即换气风机)，缝隙流量检测控制系统具体可以参考-基于密封缝隙非线性特性的车内外压力传递模型研究，铁道学报，2021年9月-陈春俊等。本发明实施例不对具体的缝隙流量检测控制系统进行介绍。
步骤1：确定拟合函数关系所需要的计算状态，每一个计算状态以缝隙压比、稀薄参数表示。
本发明主要应用于压差较小（压比接近于1）的情形。因此，在0.9-0.99之间选定若干组压比，每一个压比下在0.01-10000之间选定一组稀薄参数。压比组数越多，稀薄参数数目越多，则最终建立的快速计算函数关系越精确，但是建立快速计算函数关系的代价也就越高。
相关概念具体描述如下：由于缝隙的长度往往远大于其宽度，将问题简化为二维问题。缝隙宽度为
Figure 38126DEST_PATH_IMAGE040
，长度无限长，缝隙左右两侧温度同为
Figure 529281DEST_PATH_IMAGE042
，粘性系数同为
Figure 822859DEST_PATH_IMAGE044
，最可几速度同为
Figure 876878DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure DEST_PATH_IMAGE062
为气体常数，缝隙左右两侧压力分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE063
、
Figure 4234DEST_PATH_IMAGE052
，缝隙两侧压比
Figure DEST_PATH_IMAGE064
。描述稀薄程度的稀薄参数为
Figure 372899DEST_PATH_IMAGE036
。
步骤2：针对步骤1中确定的简化缝隙问题，基于缝隙宽度，稀薄参数采用网格生成软件（如Gridgen）生成物理空间网格。
步骤3：在步骤1确定的计算状态组合中选取一个状态，在步骤2生成的物理空间网格上，采用统一气体动理学方法进行显式计算，检测每一步计算完成之后通过缝隙的流量，待流量不再变化时，认为计算完成，记下缝隙流量值。
初始流场中缝隙左侧每个物理空间网格单元的压力、温度、宏观速度分别取
Figure 407851DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 178361DEST_PATH_IMAGE055
、0。分布函数取压力
Figure 742197DEST_PATH_IMAGE050
、温度
Figure 394895DEST_PATH_IMAGE055
、宏观速度为0时对应的平衡态分布函数。缝隙右侧每个物理空间网格单元的压力、温度、宏观速度分别取
Figure 233538DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 937183DEST_PATH_IMAGE055
、0。分布函数取压力
Figure 194291DEST_PATH_IMAGE052
、温度
Figure 271968DEST_PATH_IMAGE042
、宏观速度为0时对应的平衡态分布函数。
统一气体动理学方法中速度空间采用均匀分布笛卡尔网格。二维速度空间网格的两个方向分别为u、v。网格范围设置为
Figure DEST_PATH_IMAGE066
。其中
Figure 789668DEST_PATH_IMAGE061
为温度等于
Figure 269191DEST_PATH_IMAGE055
时的最可几速度。
统一气体动理学方法具体求解过程可以参考如下文献：徐昆, 李启兵, 黎作武.离散空间直接建模的计算流体力学方法[J]. 中国科学: 物理学力学天文学, 2014,44(5): 519-530。
步骤4：重复步骤3，直至步骤1中确定的所有计算状态全部完成。
步骤5：收集所有计算状态的缝隙流量，以如下有理式形式进行函数拟合：
Figure 378092DEST_PATH_IMAGE010
Figure 943066DEST_PATH_IMAGE012
表明缝隙流量是缝隙两侧压比
Figure 920249DEST_PATH_IMAGE024
和稀薄参数
Figure DEST_PATH_IMAGE067
的函数。
具体做法如下：
针对每一个压比
Figure 254279DEST_PATH_IMAGE024
，采用数学工具软件（如Maple，也可以采用其他工具，本发明实施例不对具体的软件类型进行限定）确定一组系数（
Figure 861977DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 648668DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 163963DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 618078DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure DEST_PATH_IMAGE068
）的具体值。得到共计
Figure 597011DEST_PATH_IMAGE030
组系数（
Figure 933314DEST_PATH_IMAGE030
为压比
Figure 455562DEST_PATH_IMAGE024
可能的取值数目，
Figure 498605DEST_PATH_IMAGE030
大于或等于3）。
设定系数
Figure 448106DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 6126DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 66486DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 229614DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 146755DEST_PATH_IMAGE068
为压比
Figure 660913DEST_PATH_IMAGE024
的函数，寻找如下函数关系：
Figure 259384DEST_PATH_IMAGE032
利用数学工具软件（如Maple，也可以采用其他工具，本发明实施例不对具体的软件类型进行限定）确定系数
Figure 277019DEST_PATH_IMAGE034
的具体值。
步骤6：评估所建立函数关系式的准确度。以如下公式表示流量预测模型预测值
Figure 630640DEST_PATH_IMAGE006
与真值
Figure DEST_PATH_IMAGE069
（统一气体动理学方法数值模拟结果）之间的相对偏差：
Figure 569777DEST_PATH_IMAGE002
将步骤1中每一个状态点的相对偏差相加再除以状态总数，可以得到平均偏差。
步骤7：将所建立的流量预测模型以及模型的平均偏差交给控制系统。在具体应用过程中，根据测得的缝隙左右两侧的压力、温度，控制系统可以得到压比、稀薄参数，进而通过流量预测模型快速给出通过缝隙的流量，实现流量实时监测的目的。
实施例二
在实施例一的基础上，下面给出气体介质为氩气、压比为0.99时的具体实施实例。
图2给出了缝隙示意图，为了降低数值模拟计算量，采用了对称边界（图中虚线）进行计算。缝隙左右两侧区域皆为长方形，长宽分别为缝隙宽度的45倍、30倍。缝隙在z方向无限长。因而给出的流量实际上是z方向单位长度的流量值。
气体介质为单原子氩气。压比
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，温度
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，最可几速度
Figure DEST_PATH_IMAGE075
米每秒，缝隙宽度为
Figure DEST_PATH_IMAGE077
毫米。通过不断改变
Figure 440781DEST_PATH_IMAGE050
的值（期间压比保持不变）可以得到不同的稀薄参数
Figure 47343DEST_PATH_IMAGE026
。共计21个状态点。不同稀薄参数下缝隙左侧的密度压力见表1，表1中E为科学计数法的符号，例如0.001用科学计数法写为1E-03。
表1 缝隙左侧参数表
Figure DEST_PATH_IMAGE079
采用Gridgen（也可以采用其他类似具有相似功能的软件，本实施例不对物理空间网格生成软件的类型进行具体的限定）生成物理空间网格，图3给出了物理空间计算网格示意图，在缝隙附近进行了适当的加密。网格单元数1800。
速度空间网格u、v方向网格点数都取21。二维速度空间网格点数441。
对照表1采用统一气体动理学方法完成了全部21个状态的计算。得到通过缝隙的流量值列于表2。其中流量值以
Figure DEST_PATH_IMAGE081
进行无量纲化。
表2 不同稀薄参数下缝隙流量（模拟结果）
Figure DEST_PATH_IMAGE083
根据计算的缝隙流量值，采用Maple软件以如下有理式形式进行函数拟合：
Figure DEST_PATH_IMAGE085
可以得到系数
Figure 981320DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure 938911DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 941502DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 933729DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 832415DEST_PATH_IMAGE068
的值分别为0.335903148553928、0.00414019433401016、2.56614698816902x10-8、0.00916808054726777、0.000189144487419039。
将不同稀薄参数代入拟合得到的预测模型可以得到缝隙流量的模型预测值，见表3。
表3 不同稀薄参数下缝隙流量（模型预测）
Figure DEST_PATH_IMAGE087
针对每一个稀薄参数，可以得到模型预测的偏差，见表4。
表4 不同稀薄参数下缝隙流量模型预测偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE089
求平均可以得到预测模型的平均偏差为2.56%。
数值模拟和模型预测得到的缝隙流量对比见图4。
将所建立的缝隙流量预测模型以及模型的平均偏差交给控制系统。在具体应用过程中，控制系统根据压比、稀薄参数，通过流量预测模型快速给出通过缝隙的流量以及预测的偏差范围，实现流量实时监测的目的。
本发明的技术关键点是根据缝隙两侧不同压比、不同稀薄参数条件下的缝隙流量值，建立了有理式形式的缝隙流量预测模型，将此预测模型交由应用控制系统，可以快速获得特定压比、稀薄参数条件下的缝隙流量，实现缝隙流量的实时监测。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：获得建立缝隙流量预测模型所需的缝隙宽度以及若干个计算状态组成的计算状态组合，其中，计算状态中的参数包括：缝隙压比信息和稀薄参数信息；
步骤2：基于所述缝隙宽度和所述稀薄参数生成物理空间网格；
步骤3：从所述计算状态组合中选取一个计算状态，基于所述物理空间网格进行计算获得通过缝隙的第一缝隙流量值；
步骤4：重复执行步骤3直至所述计算状态组合中的所有计算状态均完成计算，获得所有计算状态对应的缝隙流量值计算结果；
步骤5：基于所述缝隙流量值计算结果构建所述缝隙流量预测模型；
步骤6：基于所述缝隙流量预测模型进行缝隙流量预测。
2.根据权利要求1所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，所述步骤5还包括：
评估所述缝隙流量预测模型的预测值与流量真值之间的相对偏差，基于所述相对偏差获得平均偏差，平均偏差作为流量预测模型的一个参数特征，若所述平均偏差小于缝隙流量监测控制系统需求阈值则执行所述步骤6，若所述平均偏差大于或等于缝隙流量监测控制系统需求阈值，则对所述缝隙流量预测模型进行调整。
3.根据权利要求2所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，所述相对偏差的计算方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为相对偏差，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为所述缝隙流量预测模型的预测值，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为流量真值。
4.根据权利要求3所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，将每一个计算状态的相对偏差相加后除以状态总数得到平均偏差。
5.根据权利要求1所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，所述缝隙流量预测模型采用以下公式进行预测：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为所述缝隙流量预测模型的预测值，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure DEST_PATH_IMAGE020
和
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
为缝隙两侧压比，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为稀薄参数。
6.根据权利要求5所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，针对每一个缝隙两侧压比
Figure 963513DEST_PATH_IMAGE024
确定一组系数
Figure DEST_PATH_IMAGE028
的具体值，得到共计
Figure DEST_PATH_IMAGE030
组系数，
Figure 490440DEST_PATH_IMAGE030
为压比
Figure 801336DEST_PATH_IMAGE024
可能的取值数目，
Figure 930966DEST_PATH_IMAGE030
大于或等于3；设定系数
Figure 276496DEST_PATH_IMAGE028
为缝隙两侧压比
Figure 630117DEST_PATH_IMAGE024
的函数，得到如下函数关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为系数。
7.根据权利要求1所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，稀薄参数的计算方式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为稀薄参数，缝隙宽度为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，缝隙左右两侧温度同为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，粘性系数同为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，最可几速度同为
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
为气体常数，缝隙左右两侧压力分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE050
与
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，缝隙两侧压比
Figure DEST_PATH_IMAGE054
。
8.根据权利要求1所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，所述方法基于所述物理空间网格采用统一气体动理学方法计算获得通过缝隙的第一缝隙流量值。
9.根据权利要求8所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，初始流场中缝隙左侧每个物理空间网格单元的压力、温度和宏观速度分别取
Figure 723582DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 453640DEST_PATH_IMAGE042
和0，分布函数取压力
Figure 856940DEST_PATH_IMAGE050
、温度
Figure 381462DEST_PATH_IMAGE042
和宏观速度为0时对应的平衡态分布函数；缝隙右侧每个物理空间网格单元的压力、温度和宏观速度分别取
Figure 683262DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 154694DEST_PATH_IMAGE042
和0，分布函数取压力
Figure 209238DEST_PATH_IMAGE052
、温度
Figure 435820DEST_PATH_IMAGE042
和宏观速度为0时对应的平衡态分布函数。
10.根据权利要求8所述的一种跨流域缝隙流量快速计算方法，其特征在于，统一气体动理学方法中二维速度空间采用均匀分布笛卡尔网格，二维速度空间网格的两个方向分别为u和v，二维速度空间网格范围设置为大于或等于
Figure DEST_PATH_IMAGE056
且小于或等于
Figure DEST_PATH_IMAGE058
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE060
为温度等于
Figure 287232DEST_PATH_IMAGE042
时的最可几速度。
CN202210492056.8A 2022-05-07 2022-05-07 一种跨流域缝隙流量快速计算方法 Active CN114580221B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210492056.8A CN114580221B (zh) 2022-05-07 2022-05-07 一种跨流域缝隙流量快速计算方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210492056.8A CN114580221B (zh) 2022-05-07 2022-05-07 一种跨流域缝隙流量快速计算方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114580221A CN114580221A (zh) 2022-06-03
CN114580221B true CN114580221B (zh) 2022-07-22

Family

ID=81767604

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210492056.8A Active CN114580221B (zh) 2022-05-07 2022-05-07 一种跨流域缝隙流量快速计算方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114580221B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115618498B (zh) * 2022-11-08 2023-03-10 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种飞行器跨流域流场的预测方法、装置、设备及介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102297704A (zh) * 2010-06-23 2011-12-28 罗伯特·博世有限公司 用于检测流动的流体介质的特性的装置
GB201601094D0 (en) * 2016-01-20 2016-03-02 Soliton Holdings Corp Delaware Corp Method for computational fluid dynamics and apparatuses for jet-effect use
CN113268901A (zh) * 2021-04-12 2021-08-17 东南大学 基于格子Boltzmann动压气体轴承间隙微流动仿真方法
CN113987686A (zh) * 2021-11-08 2022-01-28 西北工业大学 一种航空发动机数字工程模型的构建方法
CN114186350A (zh) * 2022-01-25 2022-03-15 北京航空航天大学 一种航空动力系统两级增压装置设计方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11042674B2 (en) * 2017-10-10 2021-06-22 Dassault Systemes Simulia Corp. Acoustic effects of a mesh on a fluid flow

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102297704A (zh) * 2010-06-23 2011-12-28 罗伯特·博世有限公司 用于检测流动的流体介质的特性的装置
GB201601094D0 (en) * 2016-01-20 2016-03-02 Soliton Holdings Corp Delaware Corp Method for computational fluid dynamics and apparatuses for jet-effect use
CN113268901A (zh) * 2021-04-12 2021-08-17 东南大学 基于格子Boltzmann动压气体轴承间隙微流动仿真方法
CN113987686A (zh) * 2021-11-08 2022-01-28 西北工业大学 一种航空发动机数字工程模型的构建方法
CN114186350A (zh) * 2022-01-25 2022-03-15 北京航空航天大学 一种航空动力系统两级增压装置设计方法

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
General synthetic iterative scheme for nonlinear gas kinetic simulation of multi-scale rarefied gas flows;Lianhua Zhu;《Journal of Computational Physics》;20201229;1-23 *
基于模型方程解解析的气体动理学算法研究;江定武;《CNKI硕士论文库》;20170531(第5期);1-217 *
离心压气机三维流场数值计算与修改设计;薛庆栾;《CNKI硕士论文库》;20040531;1-92 *
缝隙内超高速启动加热数值模拟;屈强;《战术导弹技术》;20160228(第2期);1-6 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN114580221A (zh) 2022-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114580221B (zh) 一种跨流域缝隙流量快速计算方法
CN102116656A (zh) 风道风量的检测方法和装置
CN117332511A (zh) 面向高超飞行器高温非平衡流的自适应耦合数值模拟方法
Esmaeilbeigi et al. Radial basis functions method for solving three-dimensional linear Fredholm integral equations on the cubic domains
Bosnyakov et al. Numerical simulation of supersonic separated flow over inclined backward-facing step using RANS and LES methods
Ferreira et al. A combination of implicit and adaptative upwind tools for the numerical solution of incompressible free surface flows
CN115773891A (zh) 一种串联布局的二元进气道-预冷器流动换热的快速预估方法
CN112685954B (zh) 一种汽车环境风洞风速和风机转速的预测方法及装置
CN115422651A (zh) 基于神经网络的高超声速稀薄流下圆柱壁面热流预测方法
Liu et al. Optimization study of spherical tuyere based on BP neural network and new evaluation index
Abdelmeguid et al. A comparison between the parabolic and partially-parabolic solution procedures for three-dimensional turbulent flows around ships' hulls
CN107038312B (zh) 一种低压降孔单元的流量计算方法
Baras et al. Particle simulation of complex flows in dilute systems
Peng et al. An iterative correction method for the input fan curve in an actuator disk model
Lu et al. An adaptive region segmentation combining surrogate model applied to correlate design variables and performance parameters in a transonic axial compressor
CN113361165B (zh) 基于分布参数热阻模型的电池组温度场在线获取方法
Munisamy et al. Experimental and numerical investigation onto 1250mm axial fan
CN117789838A (zh) 数值模拟气态污染物传输扩散的方法及系统
Liu et al. A Physics-Informed Neural Network Model for Temperature Inversion of Axisymmetric Gas Discharge Channel
Marchant et al. The construction of nearly orthogonal multiblock grids for compressible flow simulation
Wang A preconditioned algorithm for turbomachinery viscous flow simulation
CN108334708A (zh) 一种用于单层厂房的温度监测方法
Csomos Analysis of a transport model applying operator splitting and semi-Lagrangian method
CN117408185A (zh) 基于自动微分加速发动机燃烧室设计的仿真模拟方法
Tu Application of Taguchi Experimental Method in Numerical Simulation of Variable Viscosity Effect on Natural Convection in Porous Media

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant