[发明专利]基于非结构网格规则化重构技术的高精度热流计算方法

说明书

本发明涉及飞行器流场气动热求解技术领域，公开了一种基于非结构网格规则化重构技术的高精度热流计算方法。该方法从利用初始流场进行特征面提取思想出发，结合激波探测技术和三维激波曲面拟合技术，多次迭代逐步逼近找到符合真实物理解的空间激波面，对物面驻点热流网格进行规则化处理以及对空间激波面附近网格进行二次贴体重构，从而消除因网格随机性排列和扰动引起的数值误差。本发明提出的方法在保证整体非结构网格快速生成的前提下，通过半自动化网格修复技术，反复迭代重构形成符合物理特征的规则化网格，排除因网格扰动导致的数值计算误差，为高超声速飞行器气动热模拟提供了一种新的快速而精细的模拟方法。

技术领域

本发明涉及飞行器流场气动热求解技术领域，具体涉及一种高精度求解高超声速飞行器驻点附近热流的求解方法。

背景技术

精确预测气动热环境是高超声速飞行器热防护设计的核心技术。当前普遍采用的方法是基于计算流体力学（CFD）技术进行N-S方程离散求解得到空间流场信息，通过分析流场信息进一步得到飞行器的气动热相关的特性参数。当前的CFD计算方法主要包括基于结构化的网格和非结构化网格两大类，由于热流计算要求对飞行器表面温度梯度进行精准预测，因而基于结构化网格的方法由于网格的规则化排布特性较好通常可以得到较高精度的模拟结果，但结构化网格存在的一个显著问题是网格生成耗时过长，且在复杂外形局部区域拓扑设计困难，这给复杂外形的热流计算带来了很大的挑战；而非结构网格因具有自动化、灵活性和高效率的优点，可以较好地解决飞行器复杂外形的网格生成效率问题，因而基于非结构网格的CFD技术在气动热的数值模拟计算领域得到了越来越多的关注。但非结构网格的应用当前还存在如下问题：（1）由于非结构网格排列的不规则性，会导致热流预测精度不够;(2)当空间网格没有严格沿激波排列时，激波后流场会出现较大的扰动误差，这种扰动误差会传播到驻点附近，在极端情况下，误差可能会支配流场，造成激波向外突出，形成所谓的“红玉”现象，导致出现非物理的流场解等。而基于非结构网格自适应的方法虽然能通过自动化的手段加密激波附近的网格，使激波模拟更精细，但依然无法实现网格严格沿激波排列，无法消除网格带来的扰动误差。同样激波装配方法虽然可以实现网格严格沿激波排列，但是计算复杂，稳定性差。因此为了实现基于非结构网格的热流模拟，亟需解决非结构网格的规则化排布尤其是激波间断区域的网格正交性问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种基于非结构网格规则化重构修正技术的高精度热流计算新方法。该方法从利用初始流场进行特征面提取思想出发，结合激波探测技术和三维曲面拟合技术，多次迭代逐步逼近找到符合真实物理解的空间激波面，对物面驻点热流网格进行规则化处理以及对空间激波面附近网格进行二次贴体重构，从而消除因网格随机性排列和扰动引起的数值误差。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于非结构网格规则化重构技术的高精度热流计算方法，包括：

步骤1：针对飞行器外形，通过网格软件生成初始的非结构混合网格，基于雷诺平均N-S方程的流场求解器进行计算，得到收敛的流场解，获取流场中的压力分布信息。

步骤2：根据压力分布信息，在非结构混合网格中判断出重构驻点位置；采用交叉剖分技术规则化重构驻点附近的网格，具体为：首先根据上一轮计算得到的流场中的压力分布信息，获取压力极值区域，即为物面驻点区域；然后在物面驻点区域附近生成各向同性的规则型四边形网格，在四边形网格的基础上，任选一个单元，沿对角线剖分成两个三角形，然后沿已剖分单元的剖分顶点剖分相邻单元，循环进行，直到将所有单元剖分完毕，得到规则排列的三角形网格。

步骤3：使用“激波探测”方法进行激波面提取。

具体步骤包括：根据步骤1初始模拟流场的空间压力分布，采用基于压力间断的方法进行激波探测，遍历所有网格单元进行激波面网格标记；