CN115859474A - 用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法及装置 - Google Patents

用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法及装置 Download PDF

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CN115859474A CN202211690162.3A CN202211690162A CN115859474A CN 115859474 A CN115859474 A CN 115859474A CN 202211690162 A CN202211690162 A CN 202211690162A CN 115859474 A CN115859474 A CN 115859474A
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陈进
刘耀峰
柳煜玮
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Abstract

本说明书实施例提供了一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法及装置，其中，方法包括：识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。

Description

用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法及装置
技术领域
本文件涉及计算机技术领域，尤其涉及一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法及装置。
背景技术
反作用控制系统(RCS)利用发动机喷流产生反作用力快速改变飞行器运动姿态或轨道的直接力控制系统，其作用在于补充气动舵面效率不足和快速改变飞行状态，具有广阔的工程应用前景。
工程应用中，由于地面模拟能力受限，以往研究大多采用冷喷模拟技术，即将燃气喷流按满足一定相似参数条件转化为完全气体(冷喷)进行模拟。过去几十年，冷喷模拟技术逐渐发展成熟，已成功应用于多类飞行器。近年来，新型防空反导武器、高超声速高机动战略武器、空天飞行器等快速发展，为满足稳定控制、高机动、精确打击需求，对RCS喷流气动干扰的预测精度、更加接近真实飞行情况的复杂物理化学效应影响预测等提出了越来越高的要求，迫切要求在冷喷模拟技术基础上发展能模拟更加接近真实飞行情况的复杂物理化学效应的预测技术。
冷喷流场数值模拟通常基于量热完全气体假设，流场气体只有平动能和转动能处于激发状态，它的内能和温度保持线性，温度可直接显式求解。热喷化学非平衡流场混合气体，振动能也处于激发状态，内能和温度不再为线性关系，温度不可显式求解。因此，温度只能通过给定温度初始值，对焓值多项式应用牛顿迭代法进行求解。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法及装置，旨在解决现有技术中的上述问题。
本发明提供一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法，包括：
识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；
对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；
对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。
本发明提供一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算装置，包括：
识别赋值模块，用于识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；
牛顿迭代法模块，用于对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；
牛顿下山法模块，用于对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现上述用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法的步骤。
采用本发明实施例，解决初始温度选取不当引起喷流局部区域温度迭代过程不稳定的问题，最大程度的保证化学非平衡喷流流场数值求解的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法的流程图；
图2是本发明实施例的温度迭代计算的详细流程图；
图3是本发明实施例的平板喷流算例外形与计算的网格示意图；
图4是本发明实施例的气动参数收敛曲线对比的示意图；
图5是本发明实施例的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算装置的示意图；
图6是本发明实施例的电子设备的示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个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说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
方法实施例
根据本发明实施例，提供了一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法。解决初始温度选取不当引起喷流局部区域温度迭代过程不稳定的问题，最大程度的保证化学非平衡喷流流场数值求解的稳定性。
牛顿迭代法最大的优点是收敛速度快，可以有效提升程序整体的计算效率。对于化学非平衡无喷干扰流场，流场初始化时给定单一初始温度，通常不存在迭代稳定性的问题，但对于化学非平衡喷流干扰流场，通常需针对来流/喷流条件分别进行初始化，且来流与喷流初始温度差别很大，在来流/喷流干扰流场交界区域附近应用牛顿迭代法求解温度极易因温度初值选取不同导致迭代失败，这就降低了数值程序的稳定性。基于此，提出了一种适用于求解化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法，克服迭代过程中温度初值选取对迭代稳定性的影响。在算法层面提高程序的稳定性。
图1是本发明实施例的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法的流程图，如图1所示，根据本发明实施例的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法具体包括：
步骤101，识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；具体地：喷流及其附近预定范围内的区域的网格块名用特定字符进行标识，通过程序初始化模块完成对流场全域的温度初始化赋值。
步骤102，对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；具体地：喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域根据公式1，运用牛顿迭代法进行温度迭代；
Figure BDA0004020901780000041
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；
在判断公式1满足收敛性判据的条件下结束迭代，得到流及其附近预定范围内的区域之外的区域当前时间步温度；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式1完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
步骤103，对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。具体地，对喷流及其附近预定范围内的区域根据公式2，运用牛顿下山法进行温度迭代：令下山因子λ为1，此时公式2变为常规的牛顿迭代公式，除收敛性判据外，增加稳定性判据|Tn+1|<|Tn|，若每步迭代结果均满足则结束迭代，若不满足则将下山因子λ减半，重复上面过程，直至每步迭代结果均满足稳定性判据，结束迭代，得到喷流及其附近预定范围内的区域的当前时间步的温度；
Figure BDA0004020901780000051
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；λ表示下山因子；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式2完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
从上面描述可以看出，优化温度函数，使温度迭代过程的稳定性不受初始温度值的影响。以牛顿迭代法作为基础，在迭代过程中添加稳定性判据要求。先进行迭代，若满足稳定性判据，则温度函数不变；若不满足稳定性判据，则对温度函数进行调整，重复迭代过程，保证满足稳定性判据，提升迭代稳定性。具体地，首先通过块名识别出喷流及其附近区域；对于非喷流及其附近区域直接应用传统的牛顿迭代法，迭代公式为充分利用牛顿迭代法迭代效率高的优点；对于喷流及其附近区域应用牛顿下山法，下山因子初始值为1，将每一步迭代得到的温度值存储，校验每步迭代结果是否均满足稳定性判据，若满足则结束温度迭代，若不满足则将下山因子值减半，重复上述过程，直至得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。
本发明基于牛顿迭代法收敛快的优点，加以适当限制，克服牛顿迭代法对初值要求高的缺点。该方法通用性好、程序实现较为简单，可以提高化学非平衡喷流干扰流场的计算稳定性。
以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。
如图2所示，具体包括如下处理：
步骤1，将喷流及其附近区域网格块名用特定字符进行标识；
步骤2，通过程序初始化模块完成对流场全域的温度初始化赋值；
步骤3，对喷流及其附近区域以外区域运用牛顿迭代法进行温度迭代，迭代公式为
Figure BDA0004020901780000061
在满足收敛性判据的条件下结束迭代，得到喷流及其附近区域以外区域当前时间步的温度；
步骤4，对喷流及其附近区域运用牛顿下山法进行温度迭代，迭代公式为
Figure BDA0004020901780000062
具体过程为：首先令下山因子λ为1，此时迭代公式变为常规牛顿迭代公式，除收敛性判据外，增加稳定性判据|Tn+1|<|Tn|，若每步迭代结果均满足则结束迭代，若不满足则将下山因子λ减半，重复上面过程，直至每步迭代结果均满足稳定性判据，结束迭代，得到喷流及其附近区域当前时间步的温度；
步骤5，将步骤3、4得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新流场全域温度；
步骤6，继续运行数值程序，完成当前时间步的数值计算；
步骤7，重复步骤3-6过程直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
本发明针对平板外形的喷流干扰流场开展了改良温度迭代算法的计算测试，计算外形如图3所示，来流马赫数为1.81，来流静压为101000Pa，来流静温为961K，喷管出口马赫数为1，喷流静压为1385000Pa，喷流静温为242K。计算结果与常规牛顿迭代法的气动数据的收敛曲线进行了对比，如图4所示，改良迭代方式4万步即可达到收敛，而传统方式7万步接近收敛。与传统迭代方式相比，改良迭代方式可以更快速的达到收敛，验证了本发明用于计算喷流干扰流场的有效性。
本发明与现有技术相比的优点如下：
(1)程序改动少，易实现，只需添加块识别和牛顿下山法模块；
(2)扩展性好，仅对数值计算程序的温度计算模块进行修改，用户可自由选取求解器的离散格式、湍流模型等算法组合，不影响对现有算法的修改替换；
(3)兼顾了计算精度与效率，外部区域应用牛顿迭代法，喷流及其附近区域应用牛顿下山法，既尽量保证了整体计算效率，又提高了喷流及其附近区域的计算稳定性。
装置实施例一
根据本发明实施例，提供了一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算装置，图5是本发明实施例的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算装置的示意图，如图5所示，根据本发明实施例的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算装置具体包括：
识别赋值模块50，用于识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；所述识别赋值模块50具体用于：
喷流及其附近预定范围内的区域的网格块名用特定字符进行标识，通过程序初始化模块完成对流场全域的温度初始化赋值。
牛顿迭代法模块52，用于对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；牛顿迭代法模块52具体用于：
喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域根据公式1，运用牛顿迭代法进行温度迭代；
Figure BDA0004020901780000071
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；
在判断公式1满足收敛性判据的条件下结束迭代，得到流及其附近预定范围内的区域之外的区域当前时间步温度；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式1完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
牛顿下山法模块54，用于对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。牛顿下山法模块54具体用于：
对喷流及其附近预定范围内的区域根据公式2，运用牛顿下山法进行温度迭代：令下山因子λ为1，此时公式2变为常规的牛顿迭代公式，除收敛性判据外，增加稳定性判据|Tn+1|<|Tn|，若每步迭代结果均满足则结束迭代，若不满足则将下山因子λ减半，重复上面过程，直至每步迭代结果均满足稳定性判据，结束迭代，得到喷流及其附近预定范围内的区域的当前时间步的温度；
Figure BDA0004020901780000081
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；λ表示下山因子；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式2完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
本发明实施例是与上述方法实施例对应的装置实施例，各个模块的具体操作可以参照方法实施例的描述进行理解，在此不再赘述。
装置实施例二
本发明实施例提供一种电子设备，如图6所示，包括：存储器60、处理器62及存储在所述存储器60上并可在所述处理62上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器62执行时实现如方法实施例中所述的步骤。
装置实施例三
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器62执行时实现如方法实施例中所述的步骤。
本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法，其特征在于，包括：
识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；
对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；
对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值具体包括：
喷流及其附近预定范围内的区域的网格块名用特定字符进行标识，通过程序初始化模块完成对流场全域的温度初始化赋值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程具体包括：
喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域根据公式1，运用牛顿迭代法进行温度迭代；
Figure FDA0004020901770000011
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；
在判断公式1满足收敛性判据的条件下结束迭代，得到喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域当前时间步温度；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式1完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程具体包括：
对喷流及其附近预定范围内的区域根据公式2，运用牛顿下山法进行温度迭代：令下山因子λ为1，此时公式2变为常规的牛顿迭代公式，除收敛性判据外，增加稳定性判据|Tn+1|<|Tn|，若每步迭代结果均满足则结束迭代，若不满足则将下山因子λ减半，重复上面过程，直至每步迭代结果均满足稳定性判据，结束迭代，得到喷流及其附近预定范围内的区域的当前时间步的温度；
Figure FDA0004020901770000021
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；λ表示下山因子；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式2完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
5.一种用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算装置，其特征在于，包括：
识别赋值模块，用于识别出喷流及其附近预定范围内的区域，完成对流场全域的温度初始化赋值；
牛顿迭代法模块，用于对于喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域直接应用传统的牛顿迭代法，完成温度迭代过程；
牛顿下山法模块，用于对于喷流及其附近预定范围内的区域，应用牛顿下山法，得到最终的下山因子值，完成温度迭代过程。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述识别赋值模块具体用于：
喷流及其附近预定范围内的区域的网格块名用特定字符进行标识，通过程序初始化模块完成对流场全域的温度初始化赋值。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，牛顿迭代法模块具体用于：
喷流及其附近预定范围内的区域之外的区域根据公式1，运用牛顿迭代法进行温度迭代；
Figure FDA0004020901770000031
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；
在判断公式1满足收敛性判据的条件下结束迭代，得到流及其附近预定范围内的区域之外的区域当前时间步温度；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式1完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述牛顿下山法模块具体用于：
对喷流及其附近预定范围内的区域根据公式2，运用牛顿下山法进行温度迭代：令下山因子λ为1，此时公式2变为常规的牛顿迭代公式，除收敛性判据外，增加稳定性判据|Tn+1|<|Tn|，若每步迭代结果均满足则结束迭代，若不满足则将下山因子λ减半，重复上面过程，直至每步迭代结果均满足稳定性判据，结束迭代，得到喷流及其附近预定范围内的区域的当前时间步的温度；
Figure FDA0004020901770000032
其中，Tn+1表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，Tn表示进行第n+1步温度迭代后得到的待求解空间网格单元的温度值，f(T)表示温度迭代函数，f'(T)表示温度迭代函数关于温度的导数；λ表示下山因子；
将得到的当前时间步温度替换上一时间步温度，更新化学非平衡喷流流场全域温度，继续根据公式2完成当前时间步的数值计算，直至完成化学非平衡喷流流场的数值计算。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的用于化学非平衡喷流流场的温度迭代计算方法的步骤。
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