[发明专利]一种飞行器湍流绕流模拟的壁面距有效单元计算方法

说明书

本发明公开了一种飞行器湍流绕流模拟的壁面距有效单元计算方法，包括：读入并存储计算网格单元格点坐标与边界条件；壁面单元预处理；计算壁面距；输出结果。通过本发明的技术方案，可显著提升飞行器大规模动网格湍流模拟中壁面距的计算效率，从而实现飞行器非定常气动特性预测的加速；对于复杂外形具有更好的适用性，结果均基于几何解析关系计算，不引入数值误差；采用了更为高效合理的编码方式存储壁面单元，并从待计算网格单元和待搜索壁面单元两方面定义了有效单元，从而显著降低了总计算量。

技术领域

本发明属于计算流体力学技术领域，尤其涉及一种飞行器湍流绕流模拟的壁面距有效单元计算方法。

背景技术

湍流是飞行器绕流中最为常见的流动。其运动随机不规则，具有不稳定、非线性、涡结构丰富、强耗散等特征。受计算机硬件技术的限制，利用计算流体力学数值模拟飞行器湍流绕流流场在目前以及未来数十年的主要途径均为雷诺平均方法（RANS）或脱体涡模拟方法（DES）。而在这两类湍流模拟方法中均存在一个对模拟精度至关重要的参数——壁面距，即计算网格单元格心到飞行器表面的最小距离。

当前，壁面距的确定方法主要包括搜索法和求解微分方程法两大类。求解微分方程法需迭代求解Eikonal方程或Hamilton-Jacobi方程，算法实现复杂；对于复杂外形，其求解效率与精度更是难以保证。搜索法中最为简单的是穷举搜索法，即计算每一流场单元对所有壁面单元的距离，取其中的最小值作为该单元到壁面的距离。不过，穷举搜索法效率低下，对于大规模动网格数值模拟这类需反复计算壁面距又无法提前存储且要求计算效率的情况难以适用。

对于提高搜索法的效率，目前主要通过引入高效搜索数据结构和壁面面元分组来减少搜索量实现。例如，现有文献提出一种名为“循环盒子法”的壁面距离计算方法，利用八叉树数据结构对壁面点按坐标排序，并通过循环二等分壁面点的外接长方体实现了对壁面单元的分组。然而，现有改进方法主要是从几何学或计算机学的角度出发。若从计算流体力学的角度出发，壁面距只有在近壁湍流区至关重要，而在其他区域该变量则完全不影响计算。显然，若在大规模动网格数值模拟中仍在每一物理时刻采用计算所有网格单元壁面距的方式，即便采用最高效的搜索数据结构与点-面距离计算方法也仍会存在大量无效计算，从而严重影响数值模拟的计算效率。

发明内容

为了解决飞行器湍流绕流模拟中关键参数壁面距计算效率不足的问题，本发明提出一种飞行器湍流绕流模拟的壁面距有效单元计算方法，本发明的具体技术方案如下：

一种飞行器湍流绕流模拟的壁面距有效单元计算方法，包括以下步骤：

S1：读入并存储计算网格单元格点坐标与边界条件；

S2：壁面单元预处理；

S2-1：收集壁面单元；

S2-2：确定壁面单元外接长方体的个数：根据计算网格壁面单元数，确定循环盒子法中使用的壁面单元外接长方体个数，壁面单元外接长方体是指包含其内壁面单元的最小长方体；

S2-3：根据所有壁面单元建立初始外接长方体，外接长方体所需记录的信息包括：外接长方体的笛卡尔坐标范围、所含壁面单元数量、所含壁面单元编号；

S2-4：二分壁面点最多的外接长方体；

将包含最多壁面单元的外接长方体沿其最长边二等分为两个外接长方体，并更新这两个外接长方体所需记录的信息，重复步骤S2-4，直至外接长方体的总数达到步骤S2-3确定的个数；

S3：计算壁面距；

S4：输出结果。

进一步地，所述步骤S2-1包括以下步骤：

S2-1-1：根据步骤S1读入的边界条件，确定计算网格单元中的壁面单元；