[发明专利]基于双控制体的格心网格数据三维激波特征定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及三维激波特征定位方法，尤其是基于双控制体的格心网格数据三维激波特征定位方法。

背景技术

在计算流体力学领域，有限体积法（Finite Volume Method，FVM）具有明确的物理含义，且计算效率高，是近年来发展十分迅速且广泛应用的数值计算方法。FVM常将数值解存储在网格单元中心，将单元看成是围绕中心的控制体，产生格心格式网格数据。

激波是一种十分重要的流动间断现象，其位置和强度对飞行器设计至关重要，只有成功定位激波特征区域，才能设计出安全性能满足要求的飞行器。激波是由于超音速气流遇到障碍物时产生的，在实际流场中，激波是非理想气流中厚度极薄（10^-5mm量级）的三维曲面。

目前已有的三维激波特征定位方法（如边缘检测法、梯度阈值法、兰金-于戈尼奥条件法、梯度方向法、两级采样法等）只适用于格点网格数据，无法直接定位格心网格流场数据中的激波特征。对于格心网格数据，采用现有的三维激波特征定位方法需要将其外推为格点网格数据，损失了数据精度。由于激波区域极薄，外推计算是一种平均运算，可能会抹平原始数据场中的间断和尖峰，使外推后的格点数据值域是原始格心数据的真子集，又由于激波特征区域通常极薄，这种外推的平均操作往往会抹平激波区域，使得格心网格数据的三维激波特征定位准确性较差。两级采样法（马千里;李思昆;曾亮.基于两级采样的非结构化网格流场多激波特征可视化方法.计算机研究与发展.2012,49(7):1450-1459.）是目前最佳的激波定位方法，该方法具体步骤如下。

步骤1：利用体积加权外推法或反转距离外推法将格心网格数据转化为格点网格数据；

步骤2：对格点网格数据进行采样，得到的采样点叫做一级采样点，基于网格顶点压力值确定一级采样点处的压力梯度，根据压力梯度确定一级采样点处的正则马赫数；

步骤3：根据正则马赫数对一级采样点进行初步筛选：满足正则马赫数大于等于1的采样点作为备选激波点（所述激波点指位于激波特征区域内的采样点）；

步骤4：通过二级采样点判断步骤3得到的备选激波点是否为真实激波点；

步骤4.1：确定备选激波点处的切平面及切平面法线，该法线及其反向延长线与一系列网格单元相交，产生一系列交点，选取在备选激波点两侧的两个交点（所述交点即二级采样点）；

步骤4.2：确定两个二级采样点处的速度；

步骤4.3：计算步骤4.2两个二级采样点处速度在切平面上的投影速度的大小；

步骤4.4：如果两个投影速度大小相同，则该备选激波点为真实激波点，否则为伪激波点（噪声）。

该方法得到一系列激波点，这些激波点组成的区域就是激波特征区域。

对于格点网格数据，两级采样法可以比较准确地定位激波特征。但是对于格心网格数据，两级采样法需要将格心网格数据外推为格点网格数据，然后进行激波定位。外推计算可能会抹平激波区域，导致格心网格数据的激波特征定位准确性较差，从而使得设计出的飞行器存在安全隐患。

技术方案

本发明要解决的技术问题是：针对流场数值模拟产生的格心网格数据，在两级采样法的基础上，提供一种基于双控制体的三维激波特征定位方法，提高三维激波定位的精度，解决格心网格三维流场数据的激波特征不能精确定位的问题。

本发明技术方案是：为实现基于格心网格数据的激波定位，首先直接基于计算流体力学模拟仿真得到的格心网格数据计算各网格单元内的压力梯度，然后采用一种基于双控制体的采样点正则马赫数计算方法得到采样点的正则马赫数，根据正则马赫数的值得到备选激波点；然后采用“两级采样法”对备选激波点进行过滤，得到真实激波点，这些激波点组成的区域就是激波特征区域。

具体技术方案为：