CN116050303B - 一种cfd并行计算下的周期性边界条件施加方法 - Google Patents

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CN116050303B CN202310203460.3A CN202310203460A CN116050303B CN 116050303 B CN116050303 B CN 116050303B CN 202310203460 A CN202310203460 A CN 202310203460A CN 116050303 B CN116050303 B CN 116050303B
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Abstract

本发明公开了一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，属于计算流体力学领域，包括步骤：S1，网格生成与边界定义：对旋转部件生成CFD计算网格，将周期性边界简单标记为主边界和从边界两类；S2，建立主从边界的几何影射关系，首先确定周期性边界的配对关系，然后通过网格坐标计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角；S3，将周期性边界转换成经过特殊标记的对接边界；S4，网格并行分区和多重网格对周期性边界条件的处理；S5，流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，输出流场计算结果。本发明具有通用性，大幅降低了用户操作难度，适用于大规模并行计算和多重网格计算等，满足现代CFD软件在计算效率方面的要求。

Description

一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法
技术领域
本发明涉及计算流体力学领域，更为具体的，涉及一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法。
背景技术
当前，旋转叶片在工程领域得到大范围应用，如直升机旋翼、飞机螺旋桨、航空发动机的压气机转子，风力机叶片等。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称为CFD）在旋转叶片的空气动力学性能分析，外形优化设计方面作用显著，CFD模拟直接从物理守恒定律出发对流场进行求解，获取三维流场的物理量分布、物面压力分布和气动力积分数据，为开展流动机理探索、性能分析和改进优化设计提供关键技术支撑。
为了准确描述旋转叶片流场，CFD通常采用模拟叶片旋转运动的实桨方法，最常见是将计算参考系建立在地面上，采用时间推进方法求解流动控制方程组，获得各个时刻的瞬态流场。该方法适用于旋转叶片的任意流动状态，但计算周期较长，计算量比定常流场计算大10倍以上。在旋转叶片性能计算和流场分析的时候，经常要面临的一种情况是前方均匀来流指向旋转轴方向，此时，如果把计算参考系建立在旋转叶片上，这样无论桨叶旋转到哪个方位，所观察到的气流相对运动是不随时间变化的定常流场。通常称此类流场具有旋转对称性，对应计算方法可以采用在非惯性旋转坐标系下进行定常求解。
根据上述流场具有旋转对称性的特点，对包括有N个叶片的旋转部件来说，从周向上划分包括单个叶片的1/N周流场是相同的，因此在流场计算中只需要计算这1/N周流场。如图1所示，在周向边界上采用周期性边界条件，将允许由前一个叶片产生的尾迹扰动，传输到后一个叶片的计算区域内，反之亦然。这样就使旋转叶片的尾迹流场充分发展，叶片受前面叶片的影响以及受自身尾迹的影响都可通过周期性边界条件实现。
目前主流的网格生成软件，如Pointwise、ICEM等，尚未建立周期性边界条件的通用定义方法，周期性边界条件定义困难主要有以下三个方面的原因。第一，周期性边界条件除了指定一组网格边界的对应关系外，还需要给定流动方向上的关系。流动方向分为“平移”和“旋转”两种，平移型周期性边界条件流动方向保持不变，“旋转型”周期性边界条件需要定义旋转轴方向和旋转角度大小。第二，周期性边界条件受网格并行剖分的影响。现代CFD方法为了提高计算效率，普遍采用基于区域分解的并行计算方法。为了满足各计算节点的负载平衡，大块网格被剖分成小块后分配到不同的进程进行计算。在此情况下，周期性边界所在的网格块可能被剖分，连接边界面一起被剖分，一对周期性边界的网格块可能被分配到不同的计算进程，这样导致描述周期性边界的网格块、指标对应关系发生改变。第三，为了加速流场收敛，多重网格是CFD经常采用的一种求解技术。这种技术在基准网格基础上生成系列粗网格，求解在稀密网格之间交替进行。这种情况下，除了原周期性边界条件以外，稀网格的对应网格边界也需要建立起周期性联系，以实现流场信息的相互交换。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，具有通用性，大幅降低了用户操作难度，适用于大规模并行计算和多重网格计算等，满足现代CFD软件在计算效率方面的要求。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，周期性边界的自动匹配，网格并行划分和计算传值的自动处理，具体包括以下步骤：
S1，网格生成与边界定义：对旋转部件生成CFD计算网格，互为周期性边界的两个面能够通过平移或者一次旋转变换得到，将周期性边界标记为主边界和从边界两类；
S2，建立主从边界的几何影射关系，首先匹配出主从边界的对应关系，然后通过网格坐标计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角；
S3，将周期性边界转换成经过特殊标记的对接边界；
S4，网格并行分区和多重网格对周期性边界条件的处理；
S5，流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，输出流场计算结果。
进一步地，在步骤S1中，周期性边界条件根据旋转或平移方向将起始一侧的边界面定义为主边界面，结束一侧的边界面定义为从边界面；主边界面能够包含多个网格面，但必须与从边界面一一对应；互为周期性边界的主/从边界在两个方向上的网格维度相等，网格坐标也具有平移或旋转对应关系；用户只需要分别给主/从边界分配1个边界ID号，不需要额外补充其他信息。
进一步地，在步骤S2中，所述主从边界的对应关系通过如下方式确定：根据边界面的网格维度和面心距离确定主/从边界的对应关系，对于任意主边界面，从从边界面中找出与主边界面匹配的网格面，如果存在多个从边界面网格维数均匹配的情况，分别计算各个面面心与主边界面面心的距离，判定最小距离者为与主边界面匹配的从边界面。
进一步地，在步骤S2中，所述建立主从边界的几何影射关系，包括子步骤：根据空间任意两个点的转轴位于两点连线的中垂面上的原理，选择出两个相交的中垂面，其交线便是周期性边界的转轴；取边界面四个角点的平均值作为第一个点即面心，第二个点位于面的法向矢量上，网格单位长度所对应的点，如果面的法向矢量相同，则逆转其中一个面的法向矢量，也就是说第一条连线为周期性主从边界的中心点连线，第二条连线为主从边界的法向矢量单位长度点对应的连线，并且两条连线不相互平行。
进一步地，在步骤S2中，在计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角的过程中，包括如下两种情况：
如果边界面是平面，则所述计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角，包括子步骤：
S201，首先确定出边界面的中心点位置A和A’，以及确定边界面的单位法向矢量
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和/>
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，AA’连线的中点为P1，中垂面定义为S1，面法向标记为/>
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；BB’连线的中点为P2，中垂面定义为S2，面法向标记为/>
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；由两个面法向矢量/>
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点乘得到旋转角，叉乘得到旋转轴OO’的矢量，即公式（1）；
S202，然后定义矢量
Figure SMS_7
，该矢量位于平面S2内，过P2点指向旋转中心，即公式（2）；
S203，最后旋转中心坐标由P2和
Figure SMS_8
组合运算得到，即公式（3）；
Figure SMS_9
（1）
Figure SMS_10
（2）
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（3）
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是两个向量之间的方向余弦，/>
Figure SMS_13
是两个矢量的夹角；
Figure SMS_14
表示旋转矢量/>
Figure SMS_15
起点的位置矢量；
如果边界面是曲面，所述计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角，包括子步骤：
采用边界面的四个角点的平均值作为该边界面的中心点，该中心点是唯一的；四个角点构成的两个对角线矢量，通过两个矢量叉乘产生的法向矢量是唯一的；从中心点出发，沿法向矢量方向取单位长度的一个点是确定的，称之为法向点；
周期性边界的四个角点、一个中心点、一个法向点构成了一个刚体，这些点遵循了同样的旋转变换规则，按照边界面是曲面时的计算方法通过其中的中心点和法向点求出的旋转轴和旋转角，适用于该曲面上的任何一个网格点。
进一步地，在步骤S3中，所述将周期性边界转换成经过标记的对接边界，包括子步骤：根据计算得到的转轴矢量和转角，确定出周期性边界主、从边界四个角点的对应关系，进一步导出J/K/L指标的对应关系。
进一步地，在步骤S3中，在将周期性边界转换成经过标记的对接边界后，还包括步骤：生成周期性边界主从对应关系：主面和从面的对应关系用J/K/L指标进行表示，在主从面中找到起止维度相同的指标，这两个指标自动匹配为一对；剩下两个指标中找出两组对应关系，其中一组用正数表示，另一组用负数表示；
对任何一个指标而言，主面的起止编号
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对应网格点与从面的
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对应网格点有对应关系，从主边界出发，找到/>
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对应的网格点，该网格点的指标号对应/>
Figure SMS_19
。
进一步地，在步骤S3中，所述将周期性边界转换成经过特殊标记的对接边界包括子步骤：将普通网格对接边界用“-1”标记，周期性边界则用mark=“-2”或“-3”标记，其中“-2”表示了一对周期性边界的主边界，“-3”表示一对周期性边界的从边界。
进一步地，在步骤S4中，所述网格并行分区和多重网格对周期性边界条件的处理，包括步骤：如果周期性边界的主面和从面都位于同一个网格块，那么对该网格块的剖分将不受任何限制；另一种情况是周期性边界的主面和从面各属于不同的网格块，那么就需要两块网格在周期性边界上的剖分位置相同，这种情况下避开对周期性边界面进行剖分；
当检查到待剖分网格块包含周期性边界，且周期性边界的对接块不是自身时，剖分方向选择与周期性边界面相同的方向，避免周期性边界面被剖分。
进一步地，在步骤S5中，所述流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，包括几何多重网格在基准网格和列稀网格之间进行迭代计算影响的处理步骤：用n表示多重网格的层次，其中第一层为基准网格，层次越高网格越稀疏；每层稀网格的边界信息从原始网格边界信息中出抽取得到；多重网格的稀网格周期性边界通过面对接方式从本地或者其它进程获取镜像单元的流场变量；在对周期性边界镜像单元的矢量变量进行旋转变换时，基准网格和稀网格的旋转轴和旋转角度保持不变。
进一步地，在步骤S5中，所述流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，包括子步骤：在并行CFD软件的边界分类下，将周期性边界纳入对接边界进行处理，边界获取流场的方式包括本地对接和并行对接两种方式；根据周期性边界条件的属性不同，平移周期性边界将所有变量直接赋值给镜像单元，旋转周期性边界的压力和密度变量直接赋值，速度矢量在经过一次旋转变换以后赋值；当周期性边界面是主面时，从对方边界传过来的速度矢量绕转轴旋转（-φ）角度；当周期性边界面是从面时，矢量变量绕转轴旋转（+φ）角度。
进一步地，在步骤S5中，输出的流场计算结果为当前计算域的流场，对于旋翼来说是单桨桨叶对应的流场，完整的旋翼悬停状态流场能够根据当前计算域复制加旋转变换得到。
本发明的有益效果包括：
本发明建立了结构化网格周期性边界条件的施加方法，该方法具有通用性，适用于平移和旋转两类周期性边界，适用于多个主边界面对应多个从边界面的情况，除了主面和从面满足平移或旋转关系外对网格生成没有其他要求。
本发明方法大幅降低了用户操作难度，将用户输入与底层数据结构分开，用户只需要像物理边界一样输入边界条件名称就可以开展计算。其他关系，如周期性边界的对接关系、旋转周期性边界的转轴与转角等完全由算法实现，并且该方法适用于大规模并行计算和多重网格计算等，增加的额外计算量可忽略不计，满足现代CFD软件在计算效率方面的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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为本发明实施例中周期性边界条件的定义方法；
图2a为本发明实施例中三维旋转周期性边界示意图；
图2b为本发明实施例中边界条件赋值示意图；
图3为本发明实施例中周期性边界旋转轴的确定方法示意图；
图4为本发明实施例中周期性边界在边界体系中的位置示意图；
图5为本发明实施例中XV-15旋翼计算网格示意图；
图6为本发明实施例中利用周期性边界计算出的涡量等值面流场信息示意图。
具体实施方式
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
术语解释
Blk：网格块的编号；
Jst：三维网格J指标方向的起始编号；
Jed：三维网格J指标方向的结束编号；
Kst：三维网格K指标方向的起始编号；
Ked: 三维网格K指标方向的结束编号；
Lst：三维网格L指标方向的起始编号；
Led:三维网格L指标方向的结束编号；
×st：三维网格任意指标方向的起始编号；
×ed:三维网格任意指标方向的结束编号；
mark：网格边界区分于其他边界的标识；
J/K/L：三维结构化网格的三个指标方向。
针对背景中存在的问题，本发明提供了一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，利用周期性边界的定义和相应处理，将周期性边界与多块网格对接边界进行了统一，具体包括如下多个发明构思。
（1）图2a给出了周期性边界条件的主从边界不属于同一个计算分区的情况。周期性边界的描述信息如表1所示，一对周期性边界包括了主边界和从边界，分别对应计算域沿旋转方向的起始边界和终止边界。两个边界面之间有与对接面相同的性质，比如流体质点从一个边界面出来，意味着从对应的边界面进入，但同时又不能完全等同于对接面，比如旋转型周期性边界的速度矢量在对应两个面之间相差了一个旋转角度。根据上述特点，在本发明的构思中，将普通网格对接边界用“-1”标记，周期性边界用mark=“-2”或“-3”标记，其中“-2”表示了一对周期性边界的主边界，“-3”表示周期性边界的从边界。
表1基准网格的周期性边界信息表
Figure SMS_20
（2）在本发明的构思中，包括自动生成周期性边界主从对应关系。图2b显示了在X方向上的周期性边界条件，由于一对周期性边界的主面和从面可能分属不同的网格块，因此指标没有严格的对应关系，如主面的J指标对应的不是从面的J指标，而是可能与K指标相对应，并且J指标增大的方向可能对应了K指标减小的方向。根据排列组合，主面与从面的对接方式有48种可能情况。如表1所示，主面和从面的对应关系用了J/K/L指标进行表示，在主从面中找到起止维度相同的指标，这两个指标自动匹配为一对，前面系数用(+1)表示；剩下两个指标中找出两组对应关系，其中一组用系数(+1)表示，另一组用系数(-1)表示；对任何一个指标而言，主面的起止编号
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对应网格点与从面的/>
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对应网格点有对应关系，因此从主边界出发，找到/>
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对应的网格点，该网格点的指标号对应了/>
Figure SMS_24
。
（3）在本发明的构思中，包括旋转周期性边界的转轴确定方法。根据几何定理，旋转轴位于旋转前后两点的中垂面上，一旦能确定两个不相重合的中垂面，那么两个中垂面的交线就确定出了旋转轴的位置。采用转动前后对应角点连线然后取中垂面的方式，得到的中垂面可能属于同一个面，因此就不能确定出转轴。本发明构思中确定中垂面的方式如下，取边界面四个角点的中心作为第一个点，通过4个角点的叉乘确定出面的法向，第二个点从面的中心出发，沿面的法向上找，单位长度对应的那个点就是我们用来确定转轴的第二个点。也就是说第一个中垂面由中心点连线得到，第二个中垂面由边界面法向上的另一个点连线来得到。
（4）在本发明的构思中，包括根据网格坐标自动计算周期性边界的旋转轴和旋转角度。如图3所示，已知面1234和面1’2’3’4’分别为构成周期性边界条件的两个边界面，4个编号分别为面的4个角点，边界面既可以是平面，也可以是曲面。以平面为例，首先可以确定出边界面的中心点位置A和A’，及边界面的单位法向矢量
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组合运算得到（公式3）。
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起点的位置矢量；
（5）在本发明的构思中，包括周期性边界是曲面的情况。这种情况下描述周期性边界面的4个角点不在同一平面上。本发明构思中采用4个角点的平均值作为该边界面的中心点，该中心点是唯一的；类似的，四个角点构成的两个对角线矢量，通过两个矢量叉乘产生的法向矢量也是唯一的。因此，从中心点出发，沿法向矢量方向取单位长度的一个点也是确定的，称之为法向点。由上可知，可以认为周期性边界的4个角点、1个中心点、1个法向点构成了一个刚体，这些点遵循了同样的旋转变换规则，所以通过其中的中心点和法向点求出的旋转轴和旋转角适用于该曲面上的任何一个网格点。因此上述计算方法能够适用于周期性边界是曲面的情况。
（6）在本发明的构思中，包括并行网格剖分对周期性边界条件的处理。如果周期性边界的主面和从面都位于同一个网格块，那么对该网格块的剖分将不受任何限制，即可以对J、K、L三个维度中的任何一个进行剖分。另一种情况是周期性边界的主面和从面各属于不同的网格块，那么就需要两块网格在周期性边界上的剖分位置要相同，这种情况下避开对周期性边界面进行剖分。具体操作是当检查到待剖分网格块包含周期性边界，且周期性边界的对接块不是自身时，剖分方向选择与周期性边界面相同的方向，避免了周期性边界面被剖分。
（7）在本发明的构思中，包括几何多重网格在基准网格和一些列稀网格之间进行迭代计算，用
Figure SMS_40
表示多重网格的层次，其中第一层为基准网格，层次越高网格越稀疏。每层稀网格的边界信息从原始网格边界信息中出抽取得到。描述周期性边界的信息如表2所示。多重网格面对接信息交换的数据量为基准网格的/>
Figure SMS_41
倍。与基准网格类似，多重网格的稀网格周期性边界通过面对接方式从本地或者其它进程获取镜像单元的流场变量。在对周期性边界镜像单元的矢量变量进行旋转变换时，基准网格和稀网格的旋转轴和旋转角度保持不变。
表2多重网格的周期性边界信息表
Figure SMS_42
（8）在本发明的构思中，包括在流场求解过程中周期性边界传值。图4给出了并行CFD软件的边界分类，其中将周期性边界纳入了对接边界进行处理，边界获取流场的方式包括本地对接和并行对接两种方式。然后根据周期性边界条件的属性不同，平移周期性边界将所有变量直接赋值给镜像单元，旋转周期性边界的标量部分直接赋值，矢量部分进行一次旋转变换。当周期性边界面是主面时，意味着从对方边界传过来的矢量变量绕转轴转（-φ）角度；当周期性边界面是从面时，意味着矢量变量绕转轴转（+φ）角度。绕空间任意轴旋转使用的Rodrigues旋转公式表示如下，
Figure SMS_43
Figure SMS_44
其中，φ为旋转角度，
Figure SMS_45
为旋转轴的单位方向矢量，R为旋转张量，I为单位矩阵，N为方向矢量的反对称张量，表示矩阵。
在具体实施例中，包括如下步骤：
（1）网格生成与边界定义
为了验证本发明方法的正确性与适用性，对XV-15旋翼的悬停状态进行了CFD模拟。计算网格生成如图5所示，图5中对三片桨叶中的一片进行了模拟，计算网格的覆盖的周向角度为120°，旋翼旋转方向为Z轴正方向，图中左侧边界为周期性边界的起始边界，右侧边界为周期性边界的终止边界。
上述网格对应的周期性边界信息如表3所示，其中变量mark =10表示该边界为周期性边界的主边界（起始边界），该边界位于网格块Blk=1；变量mark =11表示该边界为周期性边界的从边界（终止边界），该边界位于网格块Blk=3。主从边界分别给出了J/K/L的指标范围。
表3结构网格的周期性边界信息表
Figure SMS_46
（2）计算出周期性边界的转轴矢量和转角
根据上述周期性边界的网格坐标信息和对接关系，通过本发明实施例方法，计算出该周期性边界为旋转周期性边界，旋转轴通过坐标点（0,0,0），单位矢量为（
Figure SMS_47
），旋转角度/>
Figure SMS_48
。
（3）从物理边界转换成对接边界
根据转轴和转角，可以确定出周期性边界主、从边界四个角点的对应关系，进一步可以导出J/K/L指标的对应关系。如表4所示，位于第一块的周期性边界mark=-2，表示该边界为周期性边界的主边界，同时该边界具有对接属性，与之对接的网格块为第3块。从指标对应关系上看，主边界的J指标对应从边界的L指标，主边界的K指标对应从边界的K指标，主边界的L指标对应了从边界的J指标。周期性边界的从边界信息为主边界信息的互换，其他信息见表4所示，这里不再赘述。
表4周期性边界的对接信息表
Figure SMS_49
（4）流场求解边界赋值的处理
根据前面计算得到周期性边界的旋转轴为Z轴，旋转角度
Figure SMS_50
，在流场计算过程当中，主/从边界的标量项（如压力、密度和总能）直接从对方赋值，矢量项（如速度矢量）通过如下的变换关系得到。
Figure SMS_51
术语解释：
p: 表示压力
ρ：表示密度
Figure SMS_52
：表示速度
m：下标m表示主边界面
s：下标s表示从边界面
R：旋转矩阵
RT：旋转矩阵的转置
φ：旋转角度
ps：表示从边界面的压力
pm：表示主边界面的压力
ρs:表示从边界面的密度
ρm:表示主边界面的密度
Figure SMS_53
：表示从边界面的速度
Figure SMS_54
：表示主边界面的速度
（5）计算结果输出
流场计算结果如图6所示，图6中给出的是涡量等值面图，可以看到由于流场具有旋转对称性，三片桨叶的流场相同，图中深色部分显示的是当前计算流场，阴影部分为复制得到的未实际计算的流场。从图6中可以看到，在旋转周期性边界上，流场分布大小完全一致，证明了本发明实施例提供的计算方法的正确性与适用性。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。
除以上实例以外，本领域技术人员根据上述公开内容获得启示或利用相关领域的知识或技术进行改动获得其他实施例，各个实施例的特征可以互换或替换，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，周期性边界的自动匹配，网格并行划分和计算传值的自动处理，具体包括以下步骤：
S1，网格生成与边界定义：对旋转部件生成CFD计算网格，互为周期性边界的两个面能够通过平移或者一次旋转变换得到，将周期性边界标记为主边界和从边界两类；
S2，建立主从边界的几何影射关系，首先匹配出主从边界的对应关系，然后通过网格坐标计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角；
S3，将周期性边界转换成经过特殊标记的对接边界；
S4，网格并行分区和多重网格对周期性边界条件的处理；
S5，流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，输出流场计算结果。
2.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S1中，周期性边界条件根据旋转或平移方向将起始一侧的边界面定义为主边界面，结束一侧的边界面定义为从边界面；主边界面能够包含多个网格面，但必须与从边界面一一对应；互为周期性边界的主/从边界在两个方向上的网格维度相等，网格坐标也具有平移或旋转对应关系；用户只需要分别给主/从边界分配1个边界ID号，不需要额外补充其他信息。
3.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S2中，所述主从边界的对应关系通过如下方式确定：根据边界面的网格维度和面心距离确定主/从边界的对应关系，对于任意主边界面，从从边界面中找出与主边界面匹配的网格面，如果存在多个从边界面网格维数均匹配的情况，分别计算各个面面心与主边界面面心的距离，判定最小距离者为与主边界面匹配的从边界面。
4.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S2中，所述建立主从边界的几何影射关系，包括子步骤：根据空间任意两个点的转轴位于两点连线的中垂面上的原理，选择出两个相交的中垂面，其交线便是周期性边界的转轴；取边界面四个角点的平均值作为第一个点即面心，第二个点位于面的法向矢量上，网格单位长度所对应的点，如果面的法向矢量相同，则逆转其中一个面的法向矢量，也就是说第一条连线为周期性主从边界的中心点连线，第二条连线为主从边界的法向矢量单位长度点对应的连线，并且两条连线不相互平行。
5.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S2中，在计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角的过程中，包括如下两种情况：
如果边界面是平面，则所述计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角，包括子步骤：
S201，首先确定出边界面的中心点位置A和A’，以及确定边界面的单位法向矢量
Figure QLYQS_1
和
Figure QLYQS_2
，AA’连线的中点为P1，中垂面定义为S1，面法向标记为/>
Figure QLYQS_3
；BB’连线的中点为P2，中垂面定义为S2，面法向标记为/>
Figure QLYQS_4
；由两个面法向矢量/>
Figure QLYQS_5
和/>
Figure QLYQS_6
点乘得到旋转角，叉乘得到旋转轴OO’的矢量，即公式（1）；
S202，然后定义矢量
Figure QLYQS_7
，该矢量位于平面S2内，过P2点指向旋转中心，即公式（2）；
S203，最后旋转中心坐标由P2和
Figure QLYQS_8
组合运算得到，即公式（3）；
Figure QLYQS_9
（1）
Figure QLYQS_10
（2）
Figure QLYQS_11
（3）
Figure QLYQS_12
是两个向量之间的方向余弦，/>
Figure QLYQS_13
是两个矢量的夹角；
Figure QLYQS_14
表示旋转矢量/>
Figure QLYQS_15
起点的位置矢量；
如果边界面是曲面，则所述计算出旋转周期性边界的转轴矢量和转角，包括子步骤：
采用边界面的四个角点的平均值作为该边界面的中心点，该中心点是唯一的；四个角点构成的两个对角线矢量，通过两个矢量叉乘产生的法向矢量是唯一的；从中心点出发，沿法向矢量方向取单位长度的一个点是确定的，称之为法向点；
周期性边界的四个角点、一个中心点、一个法向点构成了一个刚体，这些点遵循了同样的旋转变换规则，按照边界面是曲面时的计算方法通过其中的中心点和法向点求出的旋转轴和旋转角，适用于该曲面上的任何一个网格点。
6.根据权利要求5所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S3中，所述将周期性边界转换成经过特殊标记的对接边界，包括子步骤：根据计算得到的转轴矢量和转角，确定出周期性边界主、从边界四个角点的对应关系，进一步导出J/K/L指标的对应关系。
7.根据权利要求6所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S3中，在将周期性边界转换成经过标记的对接边界后，还包括步骤：生成周期性边界主从对应关系：主面和从面的对应关系用J/K/L指标进行表示，在主从面中找到起止维度相同的指标，这两个指标自动匹配为一对；剩下两个指标中找出两组对应关系，其中一组用正数表示，另一组用负数表示；
对任何一个指标而言，主面的起止编号
Figure QLYQS_16
对应网格点与从面的
Figure QLYQS_17
对应网格点有对应关系，从主边界出发，找到/>
Figure QLYQS_18
对应的网格点，该网格点的指标号对应/>
Figure QLYQS_19
；
×st：三维网格任意指标方向的起始编号；
×ed: 三维网格任意指标方向的结束编号；
J/K/L：三维结构化网格的三个指标方向。
8.根据权利要求5所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S3中，所述将周期性边界转换成经过标记的对接边界包括子步骤：将普通网格对接边界用“-1”标记，周期性边界则用mark=“-2”或“-3”标记，其中“-2”表示了一对周期性边界的主边界，“-3”表示一对周期性边界的从边界；
mark：网格边界区分于其他边界的标识。
9.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S4中，所述网格并行分区和多重网格对周期性边界条件的处理，包括步骤：如果周期性边界的主面和从面都位于同一个网格块，那么对该网格块的剖分将不受任何限制；另一种情况是周期性边界的主面和从面各属于不同的网格块，那么就需要两块网格在周期性边界上的剖分位置相同，这种情况下避开对周期性边界面进行剖分；
当检查到待剖分网格块包含周期性边界，且周期性边界的对接块不是自身时，剖分方向选择与周期性边界面相同的方向，避免周期性边界面被剖分。
10.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S5中，所述流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，包括几何多重网格在基准网格和列稀网格之间进行迭代计算影响的处理步骤：用
Figure QLYQS_20
表示多重网格的层次，其中第一层为基准网格，层次越高网格越稀疏；每层稀网格的边界信息从原始网格边界信息中出抽取得到；多重网格的稀网格周期性边界通过面对接方式从本地或者其它进程获取镜像单元的流场变量；在对周期性边界镜像单元的矢量变量进行旋转变换时，基准网格和稀网格的旋转轴和旋转角度保持不变。
11.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S5中，所述流场计算对周期性边界标量和矢量的赋值，包括子步骤：在并行CFD软件的边界分类下，将周期性边界纳入对接边界进行处理，边界获取流场的方式包括本地对接和并行对接两种方式；根据周期性边界条件的属性不同，平移周期性边界将所有变量直接赋值给镜像单元，旋转周期性边界的压力和密度变量直接赋值，速度矢量在经过一次旋转变换以后赋值；当周期性边界面是主面时，从对方边界传过来的速度矢量绕转轴旋转-φ角度；当周期性边界面是从面时，矢量变量绕转轴旋转+φ角度。
12.根据权利要求1所述的CFD并行计算下的周期性边界条件施加方法，其特征在于，在步骤S5中，输出的流场计算结果为当前计算域的流场，对于旋翼来说是单桨桨叶对应的流场，完整的旋翼悬停状态流场能够根据当前计算域复制加旋转变换得到。
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