CN117874932B - 一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法及系统，其中轨迹数值预测方法包括：将小微尺度脱落物边界网格单元的网格属性在插值边界条件和远场边界条件间动态调整，保持重叠区域单向插值使飞行器网格和小微尺度脱落物网格解耦求解，并计算出小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。具体包括：飞行器初始流场计算、t n时刻边界网格单元计算、t n时刻边界网格单元流场信息获取、t n时刻小微尺度脱落物解耦流场计算、t n+1时刻边界网格单元计算、t n+1时刻边界网格单元流场信息获取以及迭代更新等步骤。本发明可解决小微尺度脱落物轨迹计算成本高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及物体轨迹数值预测技术领域，尤其涉及一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法及系统。
背景技术
小微尺度脱落物轨迹预测能够有效评估脱落物对飞行器的碰撞风险。当前物体轨迹数值预测手段多采用基于重叠网格的多体分离数值模拟技术，即针对每个运动的物体生成单独的网格体系，在网格体系间的重叠区域通过搜索插值完成网格体系间的信息传递，耦合同步求解各网格体系的流场。通过求解的流场信息确定运动物体所受的气动力，从而得到运动物体的运动轨迹，如图1所示。但这种耦合同步求解的方法用于小微尺度脱落物的轨迹预测存在计算成本偏高的问题。因为小微尺度脱落物的参考长度与飞行器参考长度存在数量级的差距，为减小重叠区域插值误差保证重叠区网格尺度基本相同，飞行器网格量急剧增大；同时每一个非定常步会耦合求解飞行器网格体系和脱落物网格体系，而非定常轨迹预测的非定常步数一般都是上百步，相当于要求解上百次的网格量巨大的飞行器网格体系。因此为了降低小微尺度脱落物轨迹预测的计算成本，需要探索一种高效的小微尺度脱落物轨迹数值预测方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法及系统，抓住小微尺度脱落物对飞行器气动特性影响极小的特点，将小微尺度脱落物边界网格单元的网格属性在插值边界条件和远场边界条件间动态调整，并保持重叠区域单向插值使飞行器网格和小微尺度脱落物网格解耦求解，可解决小微尺度脱落物轨迹计算成本高的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，包括：
将小微尺度脱落物边界网格单元的网格属性在插值边界条件和远场边界条件间动态调整；
保持重叠区域单向插值使飞行器网格和小微尺度脱落物网格解耦求解，并计算出小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
进一步地，包括以下步骤：
S1. 飞行器初始流场计算：给定计算条件和飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算飞行器初始流场，得到飞行器网格每个网格单元的流场信息；
S2.时刻边界网格单元/>计算：给定小微尺度脱落物网格及其边界网格单元/>，根据边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>，计算小微尺度脱落物网格的/>时刻边界网格单元/>；
S3.时刻边界网格单元/>流场信息获取：将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性设定为插值边界条件，并将飞行器网格中与/>时刻边界网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
S4.时刻小微尺度脱落物解耦流场计算：将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算小微尺度脱落物的流场信息；
S5.时刻边界网格单元/>计算：根据步骤S4得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，得到小微尺度脱落物/>时刻的位置和姿态信息，结合网格拓扑关系/>得到/>时刻边界网格单元/>；
S6.时刻边界网格单元/>流场信息获取：将t n+1时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为插值边界条件，并将飞行器网格单元的流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
S7. 迭代更新：循环步骤S4~步骤S6，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
进一步地，步骤S1中，计算得到的飞行器网格每个网格单元的流场信息包括：x方向速度u、y方向速度v、z方向速度w、压强p以及密度。
进一步地，步骤S2中，边界网格单元与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>包括：
其中，为脱落物位置，/>为脱落物姿态，/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
进一步地，若时刻脱落物位置为/>，姿态为，则/>时刻边界网格单元/>为：
其中，表示第/>个非定常时间步。
进一步地，步骤S5中，通过刚体动力学方程得到小微尺度脱落物时刻的位置和姿态/>，并结合网格拓扑关系/>得到/>时刻边界网格单元/>。
一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测系统，包括：
飞行器初始流场计算模块，被配置为根据给定计算条件和飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算飞行器初始流场，得到飞行器网格每个网格单元的流场信息；
时刻边界网格单元/>计算模块，被配置为根据给定小微尺度脱落物网格及其边界网格单元/>，并根据边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>，计算小微尺度脱落物网格的/>时刻边界网格单元/>；
时刻边界网格单元/>流场信息获取模块，被配置为将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性设定为插值边界条件，并将飞行器网格中与/>时刻边界网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块，被配置为将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算小微尺度脱落物的流场信息；
时刻边界网格单元/>计算模块，被配置为根据/>时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，得到小微尺度脱落物/>时刻的位置和姿态信息，结合网格拓扑关系/>得到时刻边界网格单元/>；
时刻边界网格单元/>流场信息获取模块，被配置为将t n+1时刻边界网格单元的网格单元属性重设定为插值边界条件，并将飞行器网格单元的流场信息单向插值到时刻边界网格单元/>；
迭代更新模块，被配置为控制时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块、/>时刻边界网格单元/>计算模块以及/>时刻边界网格单元/>流场信息获取模块循环执行，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
进一步地，飞行器初始流场计算模块中，计算得到的飞行器网格每个网格单元的流场信息包括：x方向速度u、y方向速度v、z方向速度w、压强p以及密度。
进一步地，时刻边界网格单元/>计算模块中，边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>包括：
其中，为脱落物位置，/>为脱落物姿态，/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
进一步地，若时刻脱落物位置为/>，姿态为，则/>时刻边界网格单元/>为：
其中，表示第/>个非定常时间步。
本发明的有益效果在于：
本发明在每个非定常步不再求解网格量巨大的飞行器流场，而是在每一个非定常步基于初始飞行器流场的重叠区域向小微尺度脱落物边界网格进行单向插值，小微尺度脱落物网格独立求解，计算成本低；同时小微尺度脱落物流场计算时边界网格属性调整为远场边界条件，能够保证小微尺度脱落物流场模拟精度。
附图说明
图1：一般轨迹预测方法流程图。
图2：本发明用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法流程图。
图3：飞行器整体网格示意图。
图4：飞行器对称剖面网格示意图。
图5：小微尺度脱落物网格示意图。
图6：小微尺度脱落物对称剖面网格示意图。
图7：小微尺度脱落物不同时刻示意图。
图8：t n时刻小微尺度脱落物位置示意图。
图9：t n时刻小微尺度脱落物位置局部放大后边界网格单元图。
图10：t n时刻插值前边界网格单元为插值边界条件。
图11：t n时刻插值后边界网格单元为远场边界条件。
图12：t n+1时刻插值前边界网格单元为插值边界条件。
图13：t n+1时刻插值后边界网格单元为远场边界条件。
图14：小微尺度脱落物俯仰姿态角随时间变化图。
图15：小微尺度脱落物轴向位移随时间变化图。
图16：小微尺度脱落物法向位移随时间变化图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明的具体实施方式。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，基于小微尺度脱落物对飞行器气动特性影响极小的特点，将小微尺度脱落物边界网格单元的网格属性在插值边界条件和远场边界条件间动态调整，并保持重叠区域单向插值使飞行器网格和小微尺度脱落物网格解耦求解，从而计算出小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态，解决小微尺度脱落物轨迹计算成本高的问题。
优选地，如图2所示，本实施例的用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法包括以下步骤：
S1. 飞行器初始流场计算：给定计算条件和飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算飞行器初始流场，得到飞行器网格每个网格单元的流场信息。更为优选地，该流场信息包括x方向速度u、y方向速度v、z方向速度w、压强p以及密度。
S2.时刻边界网格单元/>计算：给定小微尺度脱落物网格及其边界网格单元/>，根据边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>，计算小微尺度脱落物网格的/>时刻边界网格单元/>。
更为优选地，边界网格单元与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>为：
其中，为脱落物位置，/>为脱落物姿态，/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。若/>时刻脱落物位置为/>，姿态为，则/>时刻边界网格单元/>为：
其中，表示第/>个非定常时间步。
S3.时刻边界网格单元/>流场信息获取：将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性设定为插值边界条件，并将飞行器网格中与/>时刻边界网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
S4.时刻小微尺度脱落物解耦流场计算：将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算小微尺度脱落物的流场信息；
S5.时刻边界网格单元/>计算：根据步骤S4得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，得到小微尺度脱落物/>时刻的位置/>和姿态/>，结合网格拓扑关系/>得到/>时刻边界网格单元/>；
S6.时刻边界网格单元/>流场信息获取：将将t n+1时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为插值边界条件，并将飞行器网格单元的流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
S7. 迭代更新：循环步骤S4~步骤S6，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
具体地，为了更好说明本实施例的轨迹数值预测方法，现以机长为7.3m、机高为2.22m、翼展为3.81m以及网格量为2000万左右的飞行器为例展开说明。
步骤一：选取典型的计算状态，通过求解定常RANS方程得到飞行器网格每个网格单元的流场信息值，飞行器网格如图3和图4所示。
步骤二：确定时刻小微尺度脱落物边界网格单元/>。小微尺度脱落物网格如图5和图6所示，小微尺度脱落物外形为薄方片，薄方片边长3.5mm，厚度0.2mm，与飞行器长度尺度相差很大，小微尺度脱落物网格量仅为2万左右。不同时刻脱落物位置示意图如图7所示。初始时刻/>（n=0）脱落物位置为/>，姿态为，根据网格拓扑关系/>得到边界网格单元/>，如图8和图9所示。
步骤三：边界网格单元获取流场信息。设定边界网格单元/>（n=0）的网格单元属性为插值边界条件，如图10所示，将飞行器网格中与网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到网格单元/>。
步骤四：时刻小微尺度脱落物解耦流场计算。将边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，如图11所示，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，开展小微尺度脱落物的流场计算。
步骤五：确定时刻边界网格单元/>。根据步骤四得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，求得到小微尺度脱落物/>（n=0）时刻的位置和姿态：
；
。
结合网格拓扑关系，边界网格单元由/>变为/>。
步骤六：边界网格单元获取流场信息。将边界网格单元属性由远场边界条件设定回插值边界条件，如图12所示，将飞行器网格单元的流场信息单向插值到网格单元/>。插值后边界网格单元为远场边界条件，如图13所示。
步骤七：重复步骤四五六，循环往复，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态，如图14-图16所示，图中piece表示小微尺度脱落物。
实施例2
本实施例提供了一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测系统，包括：
飞行器初始流场计算模块，被配置为根据给定计算条件和飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算飞行器初始流场，得到飞行器网格每个网格单元的流场信息；
时刻边界网格单元/>计算模块，被配置为根据给定小微尺度脱落物网格及其边界网格单元/>，并根据边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>，计算小微尺度脱落物网格的/>时刻边界网格单元/>；
时刻边界网格单元/>流场信息获取模块，被配置为将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性设定为插值边界条件，并将飞行器网格中与/>时刻边界网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块，被配置为将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算小微尺度脱落物的流场信息；
时刻边界网格单元/>计算模块，被配置为根据/>时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，得到小微尺度脱落物/>时刻的位置和姿态信息，结合网格拓扑关系/>得到时刻边界网格单元/>；
时刻边界网格单元/>流场信息获取模块，被配置为将t n+1时刻边界网格单元的网格单元属性重设定为插值边界条件，并将飞行器网格单元的流场信息单向插值到时刻边界网格单元/>；
迭代更新模块，被配置为控制时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块、/>时刻边界网格单元/>计算模块以及/>时刻边界网格单元/>流场信息获取模块循环执行，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
优选地，飞行器初始流场计算模块中，计算得到的飞行器网格每个网格单元的流场信息包括：x方向速度u、y方向速度v、z方向速度w、压强p以及密度。
优选地，时刻边界网格单元/>计算模块中，边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>包括：
其中，为脱落物位置，/>为脱落物姿态，/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
优选地，若时刻脱落物位置为/>，姿态为，则/>时刻边界网格单元/>为：
其中，表示第/>个非定常时间步。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行该计算机程序时实现实施例1的用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法的步骤。其中，计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或者某些中间形式等。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上：
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例1的用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法的步骤。其中，计算机程序可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或者某些中间形式等。存储介质包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、计算机存储器、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，存储介质不包括电载波信号和电信信号。
需要说明的是，对于前述的方法实施例，为了简便描述，故将其表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。
Claims (9)
1.一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，其特征在于，包括：
将小微尺度脱落物边界网格单元的网格属性在插值边界条件和远场边界条件间动态调整；
保持重叠区域单向插值使飞行器网格和小微尺度脱落物网格解耦求解，并计算出小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态；
所述轨迹数值预测方法包括以下步骤：
S1. 飞行器初始流场计算：给定计算条件和飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算飞行器初始流场，得到飞行器网格每个网格单元的流场信息；
S2. 时刻边界网格单元/>计算：给定小微尺度脱落物网格及其边界网格单元/>，根据边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>，计算小微尺度脱落物网格的/>时刻边界网格单元/>；
S3. 时刻边界网格单元/>流场信息获取：将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性设定为插值边界条件，并将飞行器网格中与/>时刻边界网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
S4. 时刻小微尺度脱落物解耦流场计算：将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算小微尺度脱落物的流场信息；
S5. 时刻边界网格单元/>计算：根据步骤S4得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，得到小微尺度脱落物/>时刻的位置和姿态信息，结合网格拓扑关系/>得到/>时刻边界网格单元/>；
S6. 时刻边界网格单元/>流场信息获取：将t n+1时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为插值边界条件，并将飞行器网格单元的流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
S7. 迭代更新：循环步骤S4~步骤S6，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
2.根据权利要求1所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤S1中，计算得到的飞行器网格每个网格单元的流场信息包括：x方向速度u、y方向速度v、z方向速度w、压强p以及密度。
3.根据权利要求1所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤S2中，边界网格单元与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>包括：
；
其中，为脱落物位置，/>为脱落物姿态，/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
4.根据权利要求3所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，其特征在于，若时刻脱落物位置为/>，姿态为/>，则/>时刻边界网格单元/>为：
；
其中，表示第/>个非定常时间步。
5.根据权利要求1所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测方法，其特征在于，步骤S5中，通过刚体动力学方程得到小微尺度脱落物时刻的位置/>和姿态/>，并结合网格拓扑关系/>得到/>时刻边界网格单元/>。
6.一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测系统，其特征在于，包括：
飞行器初始流场计算模块，被配置为根据给定计算条件和飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算飞行器初始流场，得到飞行器网格每个网格单元的流场信息；
时刻边界网格单元/>计算模块，被配置为根据给定小微尺度脱落物网格及其边界网格单元/>，并根据边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系/>，计算小微尺度脱落物网格的/>时刻边界网格单元/>；
时刻边界网格单元/>流场信息获取模块，被配置为将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性设定为插值边界条件，并将飞行器网格中与/>时刻边界网格单元/>对应的网格单元初始流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块，被配置为将/>时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为远场边界条件，解耦飞行器网格，通过求解定常计算流体力学方程，计算小微尺度脱落物的流场信息；
时刻边界网格单元/>计算模块，被配置为根据/>时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块得到的流场信息值，积分得到小微尺度脱落物的气动力和气动力矩，通过刚体动力学方程，得到小微尺度脱落物/>时刻的位置和姿态信息，结合网格拓扑关系/>得到/>时刻边界网格单元/>；
时刻边界网格单元/>流场信息获取模块，被配置为将t n+1时刻边界网格单元/>的网格单元属性重设定为插值边界条件，并将飞行器网格单元的流场信息单向插值到/>时刻边界网格单元/>；
迭代更新模块，被配置为控制时刻小微尺度脱落物解耦流场计算模块、/>时刻边界网格单元/>计算模块以及/>时刻边界网格单元/>流场信息获取模块循环执行，直至计算结束，得到小微尺度脱落物随时间变化的轨迹和姿态。
7.根据权利要求6所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测系统，其特征在于，飞行器初始流场计算模块中，计算得到的飞行器网格每个网格单元的流场信息包括：x方向速度u、y方向速度v、z方向速度w、压强p以及密度。
8.根据权利要求6所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测系统，其特征在于，时刻边界网格单元/>计算模块中，边界网格单元/>与脱落物体心之间的网格拓扑关系包括：
；
其中，为脱落物位置，/>为脱落物姿态，/>为偏航角，/>为俯仰角，/>为滚转角。
9.根据权利要求8所述的一种用于小微尺度脱落物的轨迹数值预测系统，其特征在于，若时刻脱落物位置为/>，姿态为/>，则/>时刻边界网格单元/>为：
；
其中，表示第/>个非定常时间步。
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| CN102490909A (zh) * | 2011-11-25 | 2012-06-13 | 中国航天空气动力技术研究院 | 一种飞行器多体分离模拟方法 |
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2024
- 2024-03-12 CN CN202410275982.9A patent/CN117874932B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117874932A (zh) | 2024-04-12 |
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