CN116628899A - 基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法及设备。所述方法包括：利用改进的前沿层推进法和预备参数生成边界层网格，根据边界层网格更新喷管二维几何模型的前沿，根据三角化方法在喷管二维几何模型的剩余几何区域内生成非结构化三角形网格；将边界层网格和非结构化三角形网格导出为cgns格式网格文件进行存储，利用通用的CFD仿真软件导入cgns格式网格文件进行求解计算，得到喷管二维几何模型中粘性流动在边界层附近的数值结果；根据预先设置的气动性能指标对数值结果进行判断，直至得到符合气动性能指标要求的喷管二维几何模型。采用本方法能够降低喷管仿真设计周期。
Description
技术领域
本申请涉及仿真设计技术领域，特别是涉及基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法及设备。
背景技术
随着计算机技术的发展，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）在喷管仿真设计和制造过程中得到广泛应用，它借助计算机进行数值求解来模拟流体运动时出现的相关物理现象并分析得出其对应结论，进而降低制造成本。由于喷管的轴对称结构通常可将其简化为二维模型进行数值模拟，在喷管数值模拟技术中网格生成属于前处理过程，在该过程中将几何模型和计算域离散成网格单元，对于二维模型而言一般是将其离散成三角形单元或四边形单元，而根据网格单元的拓扑结构又可将其分为结构网格和非结构网格。在粘性流动计算时会根据喷管的外形在近壁面处生成边界层网格，以准确逼近粘性模拟过程中喷管周围的速度分布，并将整个计算域所生成的网格导出为可供CFD数值模拟软件计算的网格文件，再选择有限元法或有限体积法等数值计算方法求解各单元物理量最终获得整个计算域的解，从而得到喷管中粘性流动在边界层的各向异性的物理现象，如湍流、热交换等信息，并根据这些信息指导喷管外形设计。由于结构化网格的生成过程需要大量的人工干涉且需要具备一定的工程经验，因此不适合复杂喷管外形的粘性流动计算，而在边界层区域和其它区域处都采用各向异性的非结构化三角形/四面体网格会使生成的网格单元纵横比较大从而导致数值误差。相反，在边界层区域内生成结构化的四边形/六面体单元可以使其正交性不受纵横比的影响，以捕捉边界层附近粘性流体的流动特性，并在其它区域中采用各向同性的非结构化单元进行离散进而可以较好地处理复杂的喷管外形。因此，自动可靠的边界层网格生成技术是喷管仿真设计过程中的关键问题。
然而，喷管仿真设计方案的优化依赖于数值仿真的计算结果，而稳定可靠的网格生成技术又是数值仿真计算效率和精度的重要保证，现有的网格生成技术综合利用结构化网格和非结构化网格的优势，通常使用前沿层推进法（advancing layer method）来生成满足粘性流动计算的混合网格，也即在边界层区域生成结构化网格而在其它区域生成非结构化网格，其算法思想简单、便于实现等特点也使得在商业软件系统中得到了广泛的应用。针对复杂喷管几何模型所带来的复杂几何特征，如几何的邻近特征、几何凹凸特征等，会对边界层所生成的网格单元发生相交或单元反转等，进而导致现有的边界层网格生成方法鲁棒性不强且算法的有效性难以得到保证。此外，现有方法在与粘性壁面相连的几何角点处所生成的边界层网格单元质量较差，通常需要人工调整相邻壁面的网格节点分布重新进行网格生成，降低了网格生成的自动化程度，造成整个喷管仿真设计周期的增加。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低喷管仿真设计周期的一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法。
一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法，所述方法包括：
获取按照国际标准文件IGES或STEP格式存储设计的喷管二维几何模型；
对喷管几何模型进行网格生成，定义网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸以及用于边界层网格生成的预备参数；
利用改进的前沿层推进法和预备参数生成边界层网格，根据边界层网格更新喷管二维几何模型的前沿，根据Delaunay三角化方法在喷管二维几何模型的剩余几何区域内生成非结构化三角形网格；
将边界层网格和非结构化三角形网格导出为国际通用的cgns格式网格文件进行存储，利用通用的CFD仿真软件导入cgns格式网格文件进行求解计算，得到喷管二维几何模型中粘性流动在边界层附近的数值结果；数值结果包括如湍流分布和热量分布；
根据预先设置的气动性能指标对数值结果进行判断，直至得到符合气动性能指标要求的喷管二维几何模型。
在其中一个实施例中，利用改进的前沿层推进法和预备参数生成边界层网格，包括：
根据是否生成边界层分为普通前沿节点和生成边界层的前沿节点，在生成边界层的前沿节点中，若生成边界层的前沿节点的前一个或后一个前沿节点是普通前沿节点则将生成边界层的前沿节点标记为端点；
对生成边界层的前沿节点的生长方向和高度进行计算，根据生长方向和高度生成新的节点并将新的节点映射至曲面，遍历当前所有前沿节点以及新的节点生成网格单元；根据网格单元构建边界层网格；
对边界层网格的网格单元进行有效性检测，将无效的网格单元进行删除处理，得到新的边界层网格并更新当前喷管二维几何模型的前沿节点；
根据预先设置的层数对新的边界层网格进行判断，若新的边界层网格的层数达到预先设置的层数，则新的边界层网格为最终的边界层网格；若新的边界层网格的层数未达到预先设置的层数，则计算前沿节点的类型生成网格单元，直至新的边界层网格的层数达到预先设置的层数。
在其中一个实施例中，生成边界层的前沿节点包括生成边界层的普通前沿节点和端点；对生成边界层的前沿节点的生长方向和高度进行计算，包括：
若生成边界层的前沿节点为普通前沿节点，则根据普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向；
若生成边界层的前沿节点为端点，计算得到前沿节点的端点角度并根据角度是否小于黏附角度来确定前沿节点的生长方向并且后续生成的边界层在端点处的生长方向为第一层的生长方向，其黏附角度默认值为160°，当端点角度不大于黏附角度时，生长方向为端点指向端点前的前沿节点，当端点角度大于黏附角度时，根据端点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向。
在其中一个实施例中，根据普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向，包括：
根据普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向为
；
其中，表示普通前沿节点，/>、/>分别表示普通前沿节点的前后前沿节点，/>表示平面外法向量，/>表示节点序号。
在其中一个实施例中，若生成边界层的前沿节点为普通前沿节点，则根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度；
若生成边界层的前沿节点为端点，当端点角度不大于黏附角度时，则节点角度与端点角度相等，当端点角度大于黏附角度时，则节点角度为端点角度的一半，再根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度。
在其中一个实施例中，根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度，包括：
根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度为
；
其中，表示指定的生成高度，/>表示当前边界层层数，/>表示节点角度。
在其中一个实施例中，对边界层网格的网格单元进行有效性检测，包括：对边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，当网格单元的质量时标记该网格单元为无效单元；
对边界层网格的网格单元进行相交性检测，当网格单元发生相交时则标记网格单元为无效单元。
在其中一个实施例中，对边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，包括：
对边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，得到网格质量为
；
其中，为顶点/>、/>、所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角之间的最大值，为各顶点处的夹角/>与标准角度/>之间的差值的最大值。
在其中一个实施例中，相交性检测的过程包括：
首先计算需要检测的两个网格单元、/>各节点包围盒的最小坐标/>、和最大坐标/>、/>，利用两个单元包围盒坐标值进行初步的相交性判断，当/>或/>则说明两个单元不相交，反之进行进一步的邻接判断，当两个单元含有相同顶点时说明这两个单元相邻而不相交，反之根据面法线将网格单元投影至平面并进行网格单元边之间的相交性判断，如果不相交再判断两单元之间的间距，当两个单元之间间距小于当前边界层生长高度两倍则也标记单元为相交，反之不相交。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：
获取按照国际标准文件IGES或STEP格式存储设计的喷管二维几何模型；
对喷管几何模型进行网格生成，定义网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸以及用于边界层网格生成的预备参数；
利用改进的前沿层推进法和预备参数生成边界层网格，根据边界层网格更新喷管二维几何模型的前沿，根据Delaunay三角化方法在喷管二维几何模型的剩余几何区域内生成非结构化三角形网格；
将边界层网格和非结构化三角形网格导出为国际通用的cgns格式网格文件进行存储，利用通用的CFD仿真软件导入cgns格式网格文件进行求解计算，得到喷管二维几何模型中粘性流动在边界层附近的数值结果；数值结果包括如湍流分布和热量分布；
根据预先设置的气动性能指标对数值结果进行判断，直至得到符合气动性能指标要求的喷管二维几何模型。
上述基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法及设备，在导入喷管几何模型后，定义网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸以及用于边界层网格生成的预备参数，利用改进的前沿层推进法和预备参数对输入的几何模型进行自动可靠的边界层网格生成并最终生成整个模型的网格，再对其进行CFD数值计算后得到边界层附近粘性流动现象并反馈结果，形成整个喷管仿真设计的设计方案，本申请通过利用改进的前沿层推进网格生成方法，采用边界层高度调整、设定黏附角度、单元有效性检测等方式使该方法对于复杂喷管几何外形更具有通用性、可靠性和自动性，生成的边界层网格质量更好，提高了网格生成的自动化程度，大大降低了整个喷管仿真设计周期。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法的流程示意图；
图2为一个实施例中基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法的具体过程示意图；
图3为一个实施例中目标对象的二维几何模型图；
图4为另一个实施例中不同类型的前沿节点生成方向所生成的边界层网格单元节点示意图；
图5为一个实施例中指定不同黏附角度生成的边界层网格结果示意图；（a）为黏附角度为89°时生成的边界层网格结果示意图；（b）为黏附角度为90°时生成的边界层网格结果示意图；
图6为一个实施例中生成的边界层网格无效单元删除前后示意图；（a）为生成的边界层网格无效单元删除前示意图；（b）为生成的边界层网格无效单元删除后示意图；
图7为一个实施例中生成指定层数边界层网格结果示意图；
图8为一个实施例中目标对象在剩余区域中生成非结构化网格所得到整体网格结果示意图；
图9为一个实施例中计算机设备的内部结构图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法，包括以下步骤：
步骤102，获取按照国际标准文件IGES或STEP格式存储设计的喷管二维几何模型；对喷管几何模型进行网格生成，定义网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸以及用于边界层网格生成的预备参数。
按照国际标准文件IGES或STEP格式存储设计的喷管二维几何模型如图3所示，指定网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸，并定义用于边界层网格生成的参数，包括边界层的第一层高度、相邻层之间的增长比例值/>（/>，默认值为1.2）、总的边界层层数/>、边界层黏附角度/>、需要生成边界层的曲线，即图3中上层弯曲的曲线。
步骤104，利用改进的前沿层推进法和预备参数生成边界层网格，根据边界层网格更新喷管二维几何模型的前沿，根据Delaunay三角化方法在喷管二维几何模型的剩余几何区域内生成非结构化三角形网格。
如图2所示，通过利用改进的前沿层推进网格生成方法，采用边界层高度调整、设定黏附角度、单元有效性检测等方式使该方法对于复杂喷管几何外形更具有通用性、可靠性和自动性，生成的边界层网格质量更好，提高了网格生成的自动化程度，大大降低了整个喷管仿真设计周期。根据Delaunay三角化方法在喷管二维几何模型的剩余几何区域内生成非结构化三角形网格，如图8所示结果为在剩余几何区域内利用Delaunay三角化方法在剩余区域生成的非结构化网格从而得到整个模型的网格结果。
步骤106，将边界层网格和非结构化三角形网格导出为国际通用的cgns格式网格文件进行存储，利用通用的CFD仿真软件导入cgns格式网格文件进行求解计算，得到喷管二维几何模型中粘性流动在边界层附近的数值结果；数值结果包括如湍流分布和热量分布。
步骤108，根据预先设置的气动性能指标对数值结果进行判断，直至得到符合气动性能指标要求的喷管二维几何模型。
根据上述数值结果分析当前喷管模型在边界层区域附近所存在的物理现象，当该喷管外形未达到要求的气动性能指标（落压比、推力系数等），则重新定义预备参数来进行喷管二维几何模型设计，直至得到符合气动性能指标要求的喷管二维几何模型。
上述基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法中，在导入喷管几何模型后，定义网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸以及用于边界层网格生成的预备参数，利用改进的前沿层推进法和预备参数对输入的几何模型进行自动可靠的边界层网格生成并最终生成整个模型的网格，再对其进行CFD数值计算后得到边界层附近粘性流动现象并反馈结果，形成整个喷管仿真设计的设计方案，本申请通过利用改进的前沿层推进网格生成方法，采用边界层高度调整、设定黏附角度、单元有效性检测等方式使该方法对于复杂喷管几何外形更具有通用性、可靠性和自动性，生成的边界层网格质量更好，提高了网格生成的自动化程度，大大降低了整个喷管仿真设计周期。
在其中一个实施例中，利用改进的前沿层推进法和预备参数生成边界层网格，包括：
根据是否生成边界层分为普通前沿节点和生成边界层的前沿节点，在生成边界层的前沿节点中，若生成边界层的前沿节点的前一个或后一个前沿节点是普通前沿节点则将生成边界层的前沿节点标记为端点；
对生成边界层的前沿节点的生长方向和高度进行计算，根据生长方向和高度生成新的节点并将新的节点映射至曲面，遍历当前所有前沿节点以及新的节点生成网格单元；根据网格单元构建边界层网格；
对边界层网格的网格单元进行有效性检测，将无效的网格单元进行删除处理，得到新的边界层网格并更新当前喷管二维几何模型的前沿节点；
根据预先设置的层数对新的边界层网格进行判断，若新的边界层网格的层数达到预先设置的层数，则新的边界层网格为最终的边界层网格；若新的边界层网格的层数未达到预先设置的层数，则计算前沿节点的类型生成网格单元，直至新的边界层网格的层数达到预先设置的层数。
在具体实施例中，如图7所示的生成指定的层数的边界层网格结果。
在其中一个实施例中，生成边界层的前沿节点包括生成边界层的普通前沿节点和端点；对生成边界层的前沿节点的生长方向和高度进行计算，包括：
若生成边界层的前沿节点为普通前沿节点，则根据普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向；
若生成边界层的前沿节点为端点，计算得到前沿节点的端点角度并根据角度是否小于黏附角度来确定前沿节点的生长方向并且后续生成的边界层在端点处的生长方向为第一层的生长方向，其黏附角度默认值为160°，当端点角度不大于黏附角度时，生长方向为端点指向端点前的前沿节点，当端点角度大于黏附角度时，根据端点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向。
在具体实施例中，对于生成边界层的前沿节点其生长方向可分为两种，一种是生成边界层的普通前沿节点，其生成方向为利用其前后前沿节节点/>、/>与平面外法向/>计算得到前沿节点/>的角度/>的角平分线方向；一种是当前沿节点/>是生成边界层前沿节点中的端点时，计算得到前沿节点/>的角度/>，并根据角度/>是否小于黏附角度/>来确定/>的生长方向并且后续生成的边界层在端点处的生长方向为第一层的生长方向，其/>默认值为160°，当/>时，其生长方向为/>，当/>时，其生长方向用上一种进行计算，对于普通前沿节点则不对其进行生长方向的计算，也即不生成边界层。其中，计算得到前沿节点的端点角度的过程为现有技术在本申请中不做过多的赘述。
如图4所示，不同类型的前沿节点生长方向所生成的第一层边界层网格单元节点示意图。如图5所示，当生成边界层前沿节点的端点角度为90°，不同黏附角度值边界层网格生成效果，图5（a）设定黏附角度为89°时，图5（b）设定黏附角度为90°时。
在其中一个实施例中，根据普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向，包括：
根据普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向为
；
其中，表示普通前沿节点，/>、/>分别表示普通前沿节点的前后前沿节点，/>表示平面外法向量，/>表示节点序号。
在其中一个实施例中，若生成边界层的前沿节点为普通前沿节点，则根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度；
若生成边界层的前沿节点为端点，当端点角度不大于黏附角度时，则节点角度与端点角度相等，当端点角度大于黏附角度时，则节点角度为端点角度的一半，再根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度。
在具体实施例中，根据指定高度调整节点生长高度的方法。在凹角点处附近减少高度，凸角点附近增加高度，使其网格节点边界层高度能够得到平滑的过渡，提高了网格质量，并且让边界处网格单元正交性更好，从而更精确捕获边界层附近的物理现象并且通过设定黏附角度的方式来判断是否需要将边界层网格黏附到相邻壁面处，使得粘性壁面角点处节点生长方向的可控性得到增强，并避免了经典的前沿层推进方法中直接采用其角平分线方向作为节点生成方向所带来的网格质量差的问题，简化了后续对相邻壁面节点分布的调整步骤，提高了网格生成自动化程度。
在其中一个实施例中，根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度，包括：
根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度为
；
其中，表示指定的生成高度，/>表示当前边界层层数，/>表示节点角度。在具体实施例中，在确定生成边界层的前沿节点的生长方向后，需要对其进行生成高度的计算以完成对边界层网格单元节点的生成。其当前边界层层数为/>时，其指定的生成高度为/>，其中，而当前前沿节点的实际生长高度为/>，计算公式如式2，当在端点处时，如果，角度/>，否则角度/>；
式2。
在其中一个实施例中，对边界层网格的网格单元进行有效性检测，包括：
对边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，当网格单元的质量时标记该网格单元为无效单元；
对边界层网格的网格单元进行相交性检测，当网格单元发生相交时则标记网格单元为无效单元。
在具体实施例中，生成边界层网格并对其进行网格单元的有效性检测，确定所有前沿节点的生长方向和生长距离后即可生成新的节点并将其映射至曲面，遍历当前所有前沿节点以及新的节点生成网格单元以完成对当前边界层网格的生成，当前边界层网格生成后再对其进行网格单元有效性检测。通过对当前边界层网格质量的检测、不同边界层网格单元和自身网格单元的相交性检测，实现对当前边界层中的网格单元的有效性判断，并在当前边界层与其他边界层发生相交时停止边界层网格的生成再删除当前边界层中无效单元，进而保证算法的有效性和网格单元质量。
当前边界层网格单元进行有效性检测后，需要遍历当前边界层的所有网格单元对标记的无效单元进行删除并更新当前模型的前沿节点，对于删除后的单元的最新前沿则为该单元的旧前沿节点，否则单元的最新前沿则为生成的新节点。如图6所示边界层网格无效单元删除前后效果示意图，图6（a）未删除无效边界层网格单元，图6（b）删除无效边界层网格单元。
在其中一个实施例中，对边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，包括：
对边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，得到网格质量为
；
其中，为顶点/>、/>、所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角之间的最大值，为各顶点处的夹角/>与标准角度/>之间的差值的最大值。
在具体实施例中，当前四边形网格单元四个顶点坐标为：，其中顶点/>和/>为对角线的两端，/>和/>为对角线的两端。定义网格单元质量为：/>，其中，
也即顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角之间的最大值；,也即各顶点处的夹角/>与标准角度/>之间的差值的最大值，当/>时标记该网格单元为无效单元。
在其中一个实施例中，相交性检测的过程包括：
首先计算需要检测的两个网格单元、/>各节点包围盒的最小坐标/>、和最大坐标/>、/>，利用两个单元包围盒坐标值进行初步的相交性判断，当/>或/>，反之进行进一步的邻接判断，当两个单元含有相同顶点时说明这两个单元相邻而不相交，反之根据面法线将网格单元投影至平面并进行网格单元边之间的相交性判断，如果不相交再判断两单元之间的间距，当两个单元之间间距小于当前边界层生长高度两倍则也标记单元为相交，反之不相交。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端，其内部结构图可以如图9所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、显示屏和输入装置。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法。该计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图9中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器（ROM）、可编程ROM（PROM）、电可编程ROM（EPROM）、电可擦除可编程ROM（EEPROM）或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器（RAM）或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM（SRAM）、动态RAM（DRAM）、同步DRAM（SDRAM）、双数据率SDRAM（DDRSDRAM）、增强型SDRAM（ESDRAM）、同步链路（Synchlink） DRAM（SLDRAM）、存储器总线（Rambus）直接RAM（RDRAM）、直接存储器总线动态RAM（DRDRAM）、以及存储器总线动态RAM（RDRAM）等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于自动生成边界层网格的喷管气动外形设计方法，其特征在于，所述方法包括：
获取按照国际标准文件IGES或STEP格式存储设计的喷管二维几何模型；
对所述喷管几何模型进行网格生成，定义网格单元的全局单元尺寸或对不同区域指定局部单元尺寸以及用于边界层网格生成的预备参数；
利用改进的前沿层推进法和所述预备参数生成边界层网格，根据所述边界层网格更新喷管二维几何模型的前沿，根据Delaunay三角化方法在喷管二维几何模型的剩余几何区域内生成非结构化三角形网格；
将所述边界层网格和非结构化三角形网格导出为国际通用的cgns格式网格文件进行存储，利用通用的CFD仿真软件导入所述cgns格式网格文件进行求解计算，得到喷管二维几何模型中粘性流动在边界层附近的数值结果；所述数值结果包括如湍流分布和热量分布；
根据预先设置的气动性能指标对所述数值结果进行判断，直至得到符合气动性能指标要求的喷管二维几何模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用改进的前沿层推进法和所述预备参数生成边界层网格，包括：
根据是否生成边界层分为普通前沿节点和生成边界层的前沿节点，在生成边界层的前沿节点中，若生成边界层的前沿节点的前一个或后一个前沿节点是普通前沿节点则将所述生成边界层的前沿节点标记为端点；
对所述生成边界层的前沿节点的生长方向和高度进行计算，根据所述生长方向和高度生成新的节点并将新的节点映射至曲面，遍历当前所有前沿节点以及新的节点生成网格单元；根据所述网格单元构建边界层网格；
对所述边界层网格的网格单元进行有效性检测，将无效的网格单元进行删除处理，得到新的边界层网格并更新当前喷管二维几何模型的前沿节点；
根据预先设置的层数对所述新的边界层网格进行判断，若所述新的边界层网格的层数达到所述预先设置的层数，则所述新的边界层网格为最终的边界层网格；若所述新的边界层网格的层数未达到所述预先设置的层数，则计算前沿节点的类型生成网格单元，直至所述新的边界层网格的层数达到所述预先设置的层数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生成边界层的前沿节点包括生成边界层的普通前沿节点和端点；对所述生成边界层的前沿节点的生长方向和高度进行计算，包括：
若所述生成边界层的前沿节点为普通前沿节点，则根据所述普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向；
若所述生成边界层的前沿节点为端点，计算得到前沿节点的端点角度并根据角度是否小于黏附角度来确定前沿节点的生长方向并且后续生成的边界层在端点处的生长方向为第一层的生长方向，其黏附角度默认值为160°，当端点角度不大于黏附角度时，生长方向为端点指向端点前的前沿节点，当端点角度大于黏附角度时，根据所述端点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向，包括：
根据所述普通前沿节点的前后前沿节点与平面外法向量计算得到生长方向为
；
其中，表示普通前沿节点，/>、/>分别表示普通前沿节点的前后前沿节点，/>表示平面外法向量，/>表示节点序号。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述生成边界层的前沿节点为普通前沿节点，则根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度；
若所述生成边界层的前沿节点为端点，当端点角度不大于黏附角度时，则节点角度与端点角度相等，当端点角度大于黏附角度时，则节点角度为端点角度的一半，再根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度，包括：
根据当前边界层层数、节点角度和指定的生成高度计算得到前沿节点的高度为
；
其中，表示指定的生成高度，/>表示当前边界层层数，/>表示节点角度。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对所述边界层网格的网格单元进行有效性检测，包括：
对所述边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，当所述网格单元的质量时标记该网格单元为无效单元；
对所述边界层网格的网格单元进行相交性检测，当网格单元发生相交时则标记所述网格单元为无效单元。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对所述边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，包括：
对所述边界层网格的网格单元的网格质量进行计算，得到网格质量为；
其中，为顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向和顶点/>、/>、/>所形成的平面的法向之间的夹角之间的最大值，为各顶点处的夹角/>与标准角度/>之间的差值的最大值。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述相交性检测的过程包括：
首先计算需要检测的两个网格单元、/>各节点包围盒的最小坐标/>、和最大坐标/>、/>，利用两个单元包围盒坐标值进行初步的相交性判断，当/>或/>则说明两个单元不相交，反之进行进一步的邻接判断，当两个单元含有相同顶点时说明这两个单元相邻而不相交，反之根据面法线将网格单元投影至平面并进行网格单元边之间的相交性判断，如果不相交再判断两单元之间的间距，当两个单元之间间距小于当前边界层生长高度两倍则也标记单元为相交，反之不相交。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9中任一项所述方法的步骤。
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