[发明专利]一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法

说明书

本发明公开的一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法,属于计算爆炸力学领域。该方法采用拉格朗日质点来追踪网格内的介质，使用三阶形函数对质点和网格物理量进行加权双向映射，克服质点类方法由于有限质点数量产生的数值波动；使用带限制器的光滑质点法处理间断面处存在的显著数值振荡问题，使其具备更加优越的计算性能；加入固定网格，由于欧拉网格和拉格朗日质点之间的拓扑映射关系，不同物质之间不会发生嵌透；在边界处添加虚拟拉格朗日质点，模拟连续流体，并通过对整体质点的增加与删减，实现流入、流出和周期性边界条件。该发明适用于爆炸与冲击领域，对高强度冲击波的传播、不同强度冲击波的相互作用等情况，进行精确跟踪的数值模拟，并能够记录任意时刻下的压力为目标毁伤评估提供毁伤判据。

技术领域

本发明涉及一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法,属于计算爆炸力学领域。

背景技术

爆炸与冲击问题一直是国防建设及民用安全领域重点关注的对象，在国防科技和国民经济中起着非常重要的作用，尤其是近年来国内外爆炸事故的频繁发生，包括煤矿瓦斯爆炸、再生能源池内沼气爆炸、各种粉尘爆炸事故等等，让爆炸与冲击问题再次成为研究人员和公众讨论的热点。从物理角度讲，爆炸与冲击现象是在高温、高压、高速等极端条件下发生的，涉及到气体，液体和固体等多介质间相互耦合及能量转化的过程。爆炸发生过程包括前期诱导爆轰，爆轰波的形成，以及高强度冲击波的传播直至衰减。在这些极端条件下，对爆炸与冲击问题的数值模拟变得十分困难，需要对材料的大变形、多种物质的界面以及各种强间断进行处理，比通常的流体力学问题、空气动力学问题及结构动力学问题要复杂得多。

Euler方法是解决这类问题的首选方法，具有代表性的高精度算法主要有TVD(Total Variation Dimini)、ENO(Essentially Non-Oscillatory)、WENO(Weighted ENO)等，它们可以较好地处理物质界面问题，有效地提高了物质界面分辨率，但是捕捉间断面的分辨率却不高。接着出现了无网格法，主要有SPH光滑粒子流体动力学方法、无单元Galerkin方法、物质点法(MPM)等,在追踪物质流动方面有着其优势,但难以在边界上施加本质边界条件，并在处理可压缩流体时存在严重的压力振荡、质点的拉伸不稳定性以及流体体积不守恒等问题。还有结合Euler方法和Lagrange方法优势的耦合算法，ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)方法，其思想主要以Lagrange方法为主，在局部引入Euler网格处理网格大变形问题，同样存在着与无网格法相同的问题。因此，本发明提出一种Lagrange质点与Euler网格加权双向映射的方法来解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，解决Euler算法难以清晰地追踪间断面历程的问题，以及Lagrange大变形的畸变问题。该发明适用于爆炸与冲击领域，可以处理任意大变形的类流动问题，对包含强间断的问题，如高强度冲击波的传播、不同强度冲击波的相互作用，能够进行精确跟踪的数值模拟，并记录任意时刻下的压力为毁伤评估分析提供判据。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，采用拉格朗日质点来追踪网格内的介质，使用三阶形函数对质点和网格物理量进行加权双向映射，克服质点类方法由于有限质点数量产生的数值波动；使用带限制器的光滑质点法处理间断面处存在的显著数值振荡问题，使其具备更加优越的计算性能；并且加入固定网格，由于欧拉网格和拉格朗日质点之间的拓扑映射关系，不同物质之间不会发生嵌透；为了模拟连续流体，在边界处添加虚拟拉格朗日质点，通过对整体质点的增加与删减，实现流入、流出和周期性边界条件。

一种加权双向映射的精确捕捉激波间断面方法，包括如下步骤：

1、针对所需要分析的创建仿真模型，并对所创建的仿真模型进行初始化设置，包括确定计算域的大小，各类材料在计算域中位置信息和几何尺寸信息、网格步长及坐标、质点的布置、材料属性及参数、边界条件及虚拟质点的设定以及初始计算控制参数等；