CN115906688A - 用于跨声速风洞cfd计算的开孔壁壁面边界条件获取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，接收所输入设置的风洞参数，接收流场中提取的CFD计算状态；根据所接收的风洞参数和CFD计算参数调用所设置的开孔壁壁面质量流量通量计算函数；在CFD的每一次迭代计算中，读取开孔壁边界各个网格面单元的静压值及网格中心点坐标；在CFD的每一次迭代计算中，在开孔壁边界各个网格面单元内，以静压值和网格中心坐标作为所调用计算函数的参数，计算出质量流量通量并以此替换掉上一代迭代计算中的质量流量通量,完成迭代计算。本发明避免了现有技术中各影响因子未完全考虑以及各影响因子函数关系粗糙所带来的精度不高问题；通过动态获取流场参数，提高了计算状态调整效率。
Description
技术领域
本发明属于跨声速风洞试验技术领域，具体涉及一种用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法。
背景技术
风洞实验为飞行器设计及其他工业设计中提供了详实的气动数据。风洞壁面及其他实验装置使得实验模型在风洞环境与真实工作环境存在差异，其会降低风洞实验数据的有效性。为了增加风洞实验数据精度，有必要对风洞测量数据进行修正。随着计算机设备和计算流体力学(CFD)的发展，使用CFD方法分别仿真计算风洞和远场边界条件下的实验对象气动数据，其差值即为修正值。此外，受到风洞测量装置的物理限制，CFD方法能捕捉到风洞流场某些不易测量的细节。
跨声速风洞在风洞实验段开槽或者开孔以减小因模型、支架以及壁面边界层增长等带来的壅塞问题和模型在跨声速工况下产生的激波反射干扰问题。但是跨声速风洞开孔壁的壁面流动复杂，会产生洞壁干扰。此外，直接对洞壁进行仿真建模计算以获取模拟风洞实验数据的方法因模型复杂、网格量大和收敛慢等原因不适合于大规模的多工况应用。为了提高洞壁干扰的CFD计算效率，先后发展出壁压信息法和透气壁特性法。在仿真计算中将开孔壁去掉孔及驻室，并将壁压信息法和透气壁特性法中的壁面流动信息赋值于该边界，从而减小网格量达到简化壁面边界条件的作用。壁压信息法在20世纪80年代和90年代被广泛应用于洞壁干扰修正，其壁面流动信息的获取方式为风洞实验过程中的壁面测量值。
壁压信息法中所使用的壁面流动信息为风洞实验时安装在实验段壁面测压管测量的静压分布，较为直观反映开孔壁附近的流场信息，但将其作为简化的开孔壁边界条件未能很好表征孔内流动信息。且每次实验均需进行测量，较为繁琐且细节捕捉精度不够，为了提高测量精度增加测压管数量又会造成额外的干扰。透气壁特性法基于开孔壁孔的物理结构研究孔内及壁面附近的流动特性，更真实反应开孔壁的流动状态，简化了实验步骤，增加了洞壁干扰修正的效率。
跨声速风洞开孔壁的透气特性与孔的几何和风洞流动参数有关。Harloff在研究超音速进气道边界层排气流动时，分别建立了不同孔深径比情况下以孔两侧压差与当地马赫数为影响参数的孔流量模型。国内研究人员，则增加了边界层位移厚度影响参数，均为增加流场细节的影响分析，增加模型的准确性。为了增加模型的适用范围，国内研究人员增加了孔倾斜角影响分析，但是其不同倾斜角孔情况下的自由来流马赫数和边界层位移厚度影响参数均采用的与直角孔相同的系数。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，解决相关技术中直接使用开孔壁CFD计算所带来的大成本问题和其他边界表达式的精度不高及适用面小的问题。
技术方案：本发明提供了一种用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，具体包括以下步骤：
(1)预先获取风洞参数；
(2)提取风洞入口的面平均马赫数、面平均静压值、面平均动压和质量流通通量；
(3)在开孔壁边界的每个网格计算单元内，提取静压值及网格中心点坐标；
(4)在开孔壁边界的每个网格计算单元内，根据步骤(1)中的风洞参数选择质量流量通量计算函数；
(5)以步骤(2)中的风洞入口的面平均马赫数、面平均静压值、面平均动压和质量流量以及步骤(3)中开孔壁边界各网格计算单元的静压值和网格中心点坐标作为质量流量通量计算函数在每个计算网格单元的自变量；
(6)由步骤(5)中各网格计算单元所对应的自变量和步骤(4)中的计算函数，计算出各网格计算单元所对应的质量流量通量，将该质量流量通量覆盖掉原有值；
(7)当开孔壁边界的每个网格计算单元完成步骤(6)，开展整个风洞流场的又一次CFD迭代计算，即重复步骤(2)至步骤(6)，直至整个流场各物理量趋于稳定，残差收敛。
进一步地，所述风洞参数包括风洞开孔壁孔径、深度、倾斜角和开孔率。
进一步地，步骤(4)所述的开孔壁壁面质量流量通量计算函数由以下组成：
m＝m′m＝m′·minlet
△Cp＝(Pzs-Pwt)/Qinlet
其中，m为待计算的质量流量通量；m′为质量流量通量无量纲值；minlet为提取的风洞入口质量流量通量；Ma为提取的风洞入口马赫数；D为所输入设置的孔径；α0为所输入设置的目标开孔壁的开孔率；θ为所输入设置的目标开孔壁洞的倾斜角；Pzs为所提取的入口面平均静压；Pwt为所提取的网格面单元的静压值；Qinlet为提取的入口平均动压，δ*为依据所提取的网格单元中心点坐标和平板边界层经验公式计算的边界层位移厚度；d、e、i和j均为常系数；AMa为马赫数斜率影响因子；
为边界层位移厚度斜率影响因子；Aθ为孔倾斜角斜率影响因子；BMa为马赫数截距影响因子；
为边界层位移厚度截距影响因子；Bθ为孔倾斜角截距影响因子。
进一步地，所述：
马赫数斜率影响因子AMa为二次函数关系组成：AMa＝a1·Ma2+a2·Ma；
边界层位移厚度斜率影响因子
为对数函数关系组成：
孔倾斜角斜率影响因子Aθ为四次函数关系组成：Aθ＝c1·θ4+c2·θ3+c3·θ2+c4θ；
马赫数截距影响因子BMa为一次函数关系组成：BMa＝f·Ma；
边界层位移厚度截距影响因子
为幂函数关系组成：
孔倾斜角截距影响因子Bθ为倒关系数组成：
其中，a1、a2、b、c1、c2、c3、c4、d、i、f、g1、g2、h1和h2均为常系数。
进一步地，所述步骤(7)实现过程如下：
S1：初始化流场，编译并加载边界条件程序；
S2：加载GUI程序，边界条件程序获取GUI程序所输入风洞开孔壁孔径D、深度L、倾斜角和开孔率α0；
S3：开始迭代循环计算；
S4：在每一次迭代计算中，边界条件程序读取开孔壁边界各网格面单元的静压值Pi及网格中心点坐标(xi,yi,zi)；
S5：程序根据读取的开孔壁边界面网格单元的静压值Pi、风洞入口静压Pzs和风洞入口动压值Q，按下式计算出开孔壁边界各网格面单元的压差ΔCp；
ΔCp＝(Pi-Pzs)/Q
S6：程序根据GUI程序所获取的风洞开孔壁孔径D、孔深度L和孔倾斜角θ，调取质量函数常系数；
S7：根据读取的开孔壁边界面网格单元坐标，计算各面网格中心距风洞入口的距离，根据平板边界层计算边界层位移厚度
S8：根据程序读取的风洞入口自由来流马赫数Ma和S6中已经调取的常系数，采用二次函数关系计算马赫数斜率影响因子，采用一次函数关系计算马赫数截距影响因子；
S9：根据GUI所输入的孔倾斜角θ和S6中已经调取的常系数，采用四次函数关系计算孔倾斜角斜率影响因子，采用倒数函数关系计算孔倾斜角截距影响因子；
S10：根据S7中所计算的各开孔壁边界面网格单元处的边界层厚度和S6中已经调取的常系数，采用对数函数关系计算边界层位移厚度斜率和幂函数关系计算截距影响因子；
S11：将S8、S9和S10中各影响因子及S6中的部分常系数带入到质量流量计算函数中，计算出各网格面单元的质量流量通量值大小和方向；
S12：将S11中计算的各网格面单元的质量流量通量和方向赋值到开孔壁所在网格面作为开孔壁边界条件；
S13：进行流场计算，包括质量、动量、能量、湍流及输运方程；
S14：完成一次流场迭代计算，判断是否收敛，若未收敛，则重复以上开孔壁边界和流场计算。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明根据二次函数关系的马赫数斜率影响因子、一次函数关系的马赫数截距影响因子、对数函数关系的边界层位移厚度斜率和幂函数关系的截距影响因子、四次函数关系的孔倾斜角斜率影响因子和倒数函数关系的孔倾斜角截距影响因子所组成的质量流量通量计算函数，避免了现有技术中各影响因子未完全考虑以及各影响因子函数关系粗糙所带来的精度不高问题；通过GUI界面输入方式快捷改变工况，减小修改程序、编译程序以及加载步骤，适用范围和操作性能提升，解决了现有技术中的问题，并取得相应的效果；通过自适应调整驻室压力，减小了手动调节的频率，提高整体工作效率。
附图说明
图1为基于开孔壁壁面边界条件的跨声速风洞CFD计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明提供一种用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，具体包括以下步骤：
步骤1：接收所输入设置的风洞参数：风洞开孔壁孔径、深度、倾斜角和开孔率。
步骤2：在整个风洞流场的每一次迭代计算完成后，提取风洞入口的面平均马赫数、面平均静压值、面平均动压和质量流通通量。
步骤3：在整个风洞流场的每一次迭代计算完成后，在开孔壁边界的每个网格计算单元内，提取静压值及网格中心点坐标。
步骤4：在整个风洞流场的每一次迭代计算完成后，在开孔壁边界的每个网格计算单元内，根据步骤1中的风洞参数选择质量流量通量计算函数。
质量流量通量计算函数由以下组成：
m＝m′·minlet
△Cp＝(Pzs-Pwt)/Qinlet
其中，m为待计算的质量流量通量；m′为质量流量通量无量纲值；minlet为所读取的风洞入口质量流量通量；Ma为所接收读取的风洞入口马赫数；D为所输入设置的孔径；α0为所输入设置的目标开孔壁的开孔率；θ为所输入设置的目标开孔壁洞的倾斜角；Pzs为所提取的风洞入口静压；Pwt为所读取的网格面单元的静压值；δ*为依据所读取的网格单元中心点坐标和平板边界层经验公式计算的边界层位移厚度；d和i均为常系数。AMa为马赫数斜率影响因子；
为边界层位移厚度斜率影响因子；Aθ为孔倾斜角斜率影响因子；BMa为马赫数截距影响因子；
为边界层位移厚度截距影响因子；Bθ为孔倾斜角截距影响因子。
马赫数斜率影响因子AMa为二次函数关系组成：
AMa＝a1·Ma2+a2·Ma
边界层位移厚度斜率影响因子
为对数函数关系组成：
孔倾斜角斜率影响因子Aθ为四次函数关系组成：
Aθ＝c1·θ4+c2·θ3+c3·θ2+c4θ
马赫数截距影响因子BMa为一次函数关系组成：
BMa＝f·Ma
边界层位移厚度截距影响因子
为幂函数关系组成：
孔倾斜角截距影响因子Bθ为倒关系数组成：
其中，a1、a2、b、c1、c2、c3、c4、d、i、f、g1、g2、h1和h2均为常系数。常系数由以下组成：
表1质量流量通量计算函数常系数(入流)
表2质量流量通量计算函数常系数表(出流)
判断选定所述常系数的方法为：
(1)接收所设置的目标风洞开孔壁孔径D和深度L，判断L/D的取值范围，其中，L为所接收设置的孔深度。
若L/D为0.5、1.0和1.2，则直接采用所述常系数表中系数值；
若0.5＜L/D＜1.0，则分别按照L/D为0.5和1.0的常系数计算质量流量通量，并进行线性插值处理；
若1.0＜L/D＜1.2，则分别按照L/D为1.0和1.2的常系数计算质量流量通量，并进行线性插值处理；
(2)接收所设置的目标风洞开孔壁孔倾斜角θ。
若θ＞90°，则选用表1常系数(入流)表中的常系数；
若θ＜90°，则选用表2常系数(出流)表中的常系数。
步骤5：在整个风洞流场的每一个迭代计算完成后，以步骤2中的风洞入口的面平均马赫数、面平均静压值、面平均动压和质量流量以及步骤3中开孔壁边界各网格计算单元的静压值和网格中心点坐标作为质量流量通量计算函数在每个计算网格单元的自变量。
步骤6：在整个风洞流场的每一个迭代计算完成后，由步骤5中各网格计算单元所对应的自变量和步骤4中的计算函数，计算出各网格计算单元所对应的质量流量通量，将该质量流量通量覆盖掉原有值。
步骤7：当开孔壁边界的每个网格计算单元完成步骤6，开展整个风洞流场的又一次CFD迭代计算。具体过程图1所示：
S1：初始化流场，编译并加载边界条件程序；
S2：加载GUI程序，边界条件程序获取GUI程序所输入风洞开孔壁孔径D、深度L、倾斜角和开孔率α0；
S3：开始迭代循环计算；
S4：在每一次迭代计算中，边界条件程序提取开孔壁边界各网格面单元的静压值Pi及网格中心点坐标(xi,yi,zi)；
S5：程序根据读取的面网格单元的静压值Pi、风洞入口静压Pzs和风洞入口动压值Q，按下式计算出开孔壁边界各网格面单元的压差ΔCp；
ΔCp＝(Pi-Pzs)/Q
S6：程序根据GUI程序所获取的风洞开孔壁孔径D、孔深度L和孔倾斜角θ，调取质量函数常系数；
S7：根据读取的开孔壁边界面网格单元坐标，计算各面网格中心距风洞入口的距离，根据平板边界层计算边界层位移厚度
S8：根据程序所读取的风洞入口自由来流马赫数Ma和步骤S6中已经调取的常系数，采用二次函数关系计算马赫数斜率影响因子，采用一次函数关系计算马赫数截距影响因子；
S9：根据GUI所输入的孔倾斜角θ和步骤S6中已经调取的常系数，采用四次函数关系计算孔倾斜角斜率影响因子，采用倒数函数关系计算孔倾斜角截距影响因子；
S10：根据步骤S7中所计算的各开孔壁边界面网格单元处的边界层厚度和步骤S6中已经调取的常系数，采用对数函数关系计算边界层位移厚度斜率和幂函数关系计算截距影响因子；
S11：将步骤S8、S9和S10中各影响因子及S6中的部分常系数带入到质量流量计算函数中，计算出各网格面单元的质量流量通量值大小和方向；
S12：将S11中计算的各网格面单元的质量流量通量和方向赋值到开孔壁所在网格面作为开孔壁边界条件；
S13：进行流场计算，包括质量、动量、能量、湍流及输运方程；
S14：完成一次流场迭代计算，判断是否收敛，若未收敛，则重复以上开孔壁边界和流场计算。
本发明根据二次函数关系的马赫数斜率影响因子、一次函数关系的马赫数截距影响因子、对数函数关系的边界层位移厚度斜率和幂函数关系的截距影响因子、四次函数关系的孔倾斜角斜率影响因子和倒数函数关系的孔倾斜角截距影响因子所组成的质量流量通量计算函数，避免了现有技术中各影响因子未完全考虑以及各影响因子函数关系粗糙所带来的精度不高问题以及现有技术中针对特定风洞固定深径比和孔倾斜角而适用性不广的问题。通过动态获取风洞入口流场参数和壁面流动参数，进行自适应迭代计算，提高了调整风洞计算状态的效率。
Claims (5)
1.一种用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)预先获取风洞参数；
(2)提取风洞入口的面平均马赫数、面平均静压值、面平均动压和质量流通通量；
(3)在开孔壁边界的每个网格计算单元内，提取静压值及网格中心点坐标；
(4)在开孔壁边界的每个网格计算单元内，根据步骤(1)中的风洞参数选择质量流量通量计算函数；
(5)以步骤(2)中的风洞入口的面平均马赫数、面平均静压值、面平均动压和质量流量以及步骤(3)中开孔壁边界各网格计算单元的静压值和网格中心点坐标作为质量流量通量计算函数在每个计算网格单元的自变量；
(6)由步骤(5)中各网格计算单元所对应的自变量和步骤(4)中的计算函数，计算出各网格计算单元所对应的质量流量通量，将该质量流量通量覆盖掉原有值；
(7)当开孔壁边界的每个网格计算单元完成步骤(6)，开展整个风洞流场的又一次CFD迭代计算，即重复步骤(2)至步骤(6)，直至整个流场各物理量趋于稳定，残差收敛。
2.根据权利要求1所述的用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，其特征在于，所述风洞参数包括风洞开孔壁孔径、深度、倾斜角和开孔率。
3.根据权利要求1所述的用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，其特征在于，步骤(4)所述的开孔壁壁面质量流量通量计算函数由以下组成：
m＝m′·minlet
△Cp＝(Pzs-Pwt)/Qinlet
其中，m为待计算的质量流量通量；m′为质量流量通量无量纲值；minlet为提取的风洞入口质量流量通量；Ma为提取的风洞入口马赫数；D为所输入设置的孔径；α0为所输入设置的目标开孔壁的开孔率；θ为所输入设置的目标开孔壁洞的倾斜角；Pzs为所提取的入口面平均静压；Pwt为所读取的网格面单元的静压值；Qinlet为提取的入口平均动压，δ*为依据所读取的网格单元中心点坐标和平板边界层经验公式计算的边界层位移厚度；d、e、i和j均为常系数；AMa为马赫数斜率影响因子；
为边界层位移厚度斜率影响因子；Aθ为孔倾斜角斜率影响因子；BMa为马赫数截距影响因子；
为边界层位移厚度截距影响因子；Bθ为孔倾斜角截距影响因子。
4.根据权利要求3所述的用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，其特征在于，所述：
马赫数斜率影响因子AMa为二次函数关系组成：AMa＝a1·Ma2+a2·Ma；
边界层位移厚度斜率影响因子
为对数函数关系组成：
孔倾斜角斜率影响因子Aθ为四次函数关系组成：Aθ＝c1·θ4+c2·θ3+c3·θ2+c4θ；
马赫数截距影响因子BMa为一次函数关系组成：BMa＝f·Ma；
边界层位移厚度截距影响因子
为幂函数关系组成：
孔倾斜角截距影响因子Bθ为倒关系数组成：
其中，a1、a2、b、c1、c2、c3、c4、d、i、f、g1、g2、h1和h2均为常系数。
5.根据权利要求1所述的用于跨声速风洞CFD计算的开孔壁壁面边界条件获取方法，其特征在于，所述步骤(7)实现过程如下：
S1：初始化流场，编译并加载边界条件程序；
S2：加载GUI程序，边界条件程序获取GUI程序所输入风洞开孔壁孔径D、深度L、倾斜角θ和开孔率α0；
S3：开始迭代循环计算；
S4：在每一次迭代计算中，边界条件程序读取开孔壁边界各网格面单元的静压值Pi及网格中心点坐标(xi,yi,zi)；
S5：程序根据提取的开孔壁边界面网格单元的静压值Pi、风洞入口静压Pzs和风洞入口动压值Q，按下式计算出开孔壁边界各网格面单元的压差ΔCp；
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S6：程序根据GUI程序所获取的风洞开孔壁孔径D、孔深度L和孔倾斜角θ，调取质量函数常系数；
S7：根据读取的开孔壁边界面网格单元坐标，计算各面网格中心距风洞入口的距离，根据平板边界层计算边界层位移厚度
S8：根据程序读取的自由来流马赫数Ma和S6中已经调取的常系数，采用二次函数关系计算马赫数斜率影响因子，采用一次函数关系计算马赫数截距影响因子；
S9：根据GUI所输入的孔倾斜角θ和S6中已经调取的常系数，采用四次函数关系计算孔倾斜角斜率影响因子，采用倒数函数关系计算孔倾斜角截距影响因子；
S10：根据S7中所计算的各开孔壁边界面网格单元处的边界层厚度和S6中已经调取的常系数，采用对数函数关系计算边界层位移厚度斜率和幂函数关系计算截距影响因子；
S11：将S8、S9和S10中各影响因子及S6中的部分常系数带入到质量流量计算函数中，计算出各网格面单元的质量流量通量值大小和方向；
S12：将S11中计算的各网格面单元的质量流量通量和方向赋值到开孔壁所在网格面作为开孔壁边界条件；
S13：进行流场计算，包括质量、动量、能量、湍流及输运方程；
S14：完成一次流场迭代计算，判断是否收敛，若未收敛，则重复以上开孔壁边界和流场计算。
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| CN117007274A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | 一种亚声速风洞回路质量流量测量方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117007274A (zh) * | 2023-10-07 | 2023-11-07 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | 一种亚声速风洞回路质量流量测量方法 |
| CN117007274B (zh) * | 2023-10-07 | 2023-12-29 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | 一种亚声速风洞回路质量流量测量方法 |
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