[发明专利]一种飞行器绕流数值模拟的多重网格扰动域更新加速方法

说明书

本发明公开了一种飞行器绕流数值模拟的多重网格扰动域更新加速方法，针对现有多重网格方法在模拟飞行器绕流时存在大量无效计算的问题，通过在细网格和粗网格上采用对流、粘性两类动态计算域，使得流动控制方程在每个迭代步中均在仅包含未收敛受扰单元的对流动态计算域中求解，而粘性效应也仅在只包含粘性效应主导单元的粘性动态计算域内考虑，从而实现了仅对未收敛受扰单元求解、仅在局部区域考虑粘性效应的求解思路。通过有效减少单个迭代步的计算量和达到收敛态所需的迭代步数，本发明可显著提高多重网格方法模拟飞行器绕流的计算效率。

技术领域

本发明涉及计算流体力学技术领域，尤其涉及一种飞行器绕流数值模拟的多重网格扰动域更新加速方法。

背景技术

随着计算机技术的飞速发展，计算流体力学数值模拟已成为当代飞行器气动设计的重要技术支撑之一。尽管数值模拟能够精准预测飞行器的静、动态气动特性，但对于飞行器气动设计而言，仍存在数值模拟计算效率难以满足日益增长的实际应用需求的问题。因此，提出适用于飞行器绕流数值模拟的高效方法对提高飞行器设计迭代效率、缩短研制周期具有重要意义和工程应用价值。

多重网格方法是飞行器绕流数值模拟的主流加速技术之一。该方法既可用于飞行器静态气动特性预测中定常绕流流场的迭代求解，也适用于飞行器动态气动特性预测中非定常绕流流场迭代推进中的内迭代求解。多重网格方法是一种在粗、细网格间循环求解流动控制方程的加速收敛技术，其加速原理有两方面：其一，粗网格能以更大的迭代步长推进求解，从而可以带动细网格更快达到收敛态；其二，粗、细网格间的循环求解有助于衰减阻碍细网格收敛的高频误差，从而可以使细网格的整体误差能更快地衰减。

目前，多重网格方法针对飞行器绕流数值模拟时仍存在一个弊端，即每个迭代步均必须对飞行器流场网格预设计算域中的所有网格单元更新求解。这种全局更新的求解方式忽略了求解过程中飞行器绕流流场演化的特点，从而会造成不同程度的无效计算。对于亚声速飞行器，流动的数学性质为椭圆型，因此，为避免数值模拟的有限边界所导致的非物理响应，飞行器流场网格的预设计算域需要取数十倍于飞行器参考长度的范围进行模拟。然而，随着飞行器绕流流场逐渐趋近于定常态，不满足流动控制方程的区域也相应收缩，飞行器流场网格的预设计算域也将趋于冗余。对于超声速飞行器，流动的数学性质为双曲型，即流场中任一点仅受其上游依赖域内流动的影响。因此，在迭代过程中，位于飞行器绕流流场下游的区域不会先于其上游流场收敛，已达到定常态的上游流动也不会受到未收敛下游流动更新的影响。由此可知，在整个迭代求解过程中，始终对飞行器流场网格预设计算域内的所有网格单元全局更新求解将产生大量无效计算，从而显著降低飞行器绕流数值模拟的计算效率。因此，若能消除现有方法中的无效计算，必将显著提升飞行器绕流数值模拟的计算效率，从而有效解决飞行器气动设计中数值模拟计算效率难以满足日益增长的实际应用需求的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种飞行器绕流数值模拟的多重网格扰动域更新加速方法，用以解决现有多重网格方法在模拟飞行器绕流时存在大量无效计算的问题。

本发明提供的一种飞行器绕流数值模拟的多重网格扰动域更新加速方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：读入数据，包括飞行器流场的细网格、预设计算域、边界条件和计算设置；

S2：通过稀疏所述细网格，生成指定层数的粗网格；

S3：根据来流条件或根据给定流场，对所述粗网格和所述细网格上预设计算域中的流场进行初始化；

S4：根据流场初始化方式，建立对流动态计算域和粘性动态计算域；

S5：将所有层网格求解所需存储的数据分为两类；第一类数据是单元的固有信息，采用静态数据结构存储所述预设计算域中所有网格单元的信息，包括网格坐标和流场变量；第二类数据是与求解更新相关的信息，采用动态数据结构仅存储所述对流动态计算域内网格单元的信息，包括守恒量更新量和当地迭代步长；