[发明专利]一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法

说明书

本发明公开了一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，涉及计算流体动力学领域，包括：获得设定的随机三维速度扰动场，然后获得瞬态速度扰动场；将瞬态速度扰动场叠加到预设平均流场获得物理湍流速度场，基于物理湍流速度场获得湍流入口边界条件；基于飞行器来流信息和湍流入口边界条件完成飞行器计算域的边界条件设置和初始条件设置，并划分飞行器计算域的网格；基于网格信息、边界条件设置信息和初始条件设置信息，对飞行器的环境流场进行模拟计算；本发明能够减小计算域大小，取消辅助计算域，节省计算时间和成本；以及消除可能引入的低频不确定扰动，获得更为真实的湍流；以及减小对源代码的修改，快速高效地获得所需湍流入口条件。

技术领域

本发明涉及计算流体动力学领域，具体地，涉及一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法。

背景技术

湍流是一种紊乱的流动状态，由于本身的复杂性、非线性、三维性、动态性和随机性等特征，是新世纪三大未解难题之一，也是现代飞行器研发设计必须考虑的重要流动特征。基于计算流体力学方法的高精度数值模拟是研究湍流的重要手段之一，也是揭示与湍流相关的流场现象及其生成演化机理等基础问题的重要手段。

高精度数值模拟的主要方法有大涡模拟和直接数值模拟。在采用此类方法研究湍流相关问题时，需要设置流场计算域及对应的边界条件，其中设置符合物理规律的湍流入口边界条件，对于仿真模拟的计算精度和有效性至关重要。目前适用于大涡模拟和直接数值模拟的入口湍流生成方法主要三种：自然发展法、尺度变换法和循环法。自然发展法需要设置一个超大计算域，然后在入口处施加层流边界条件，等待层流逐步转捩演化为湍流。由于大涡模拟和直接数值模拟本身需要高密度网格，计算量巨大，超大计算域会使计算量成倍增加，因而在实际计算中不具备可操作性，无法真正应用。尺度变换法需要增加一个辅助计算域，在独立的辅助计算域中施加周期条件，使湍流自然发展，等待获得成熟的湍流以后，提取出所得数据，将其施加到主计算域入口。这种方法极大的减小了计算域的长度，然而由于其仍需要辅助计算域来实现，时间和计算成本仍较高；且由于两个仿真相互独立，没有考虑主计算域下游对入口湍流条件的影响。循环法是尺度变换法的衍生方法，该方法选择主计算域的上游一部分作为辅助计算域，将辅助计算域的出口数据通过尺度变换重新施加到入口处，以此来获得合适的湍流条件。然而，此种方法会引入低频的不确定扰动，在研究流场的低频现象时不适用。同时该方法需要对计算域进行特殊设置，对程序的修改量较大。

发明内容

本发明提供了一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，目的是减小计算域大小，取消辅助计算域，节省计算时间和成本；以及消除可能引入的低频不确定扰动，获得更为真实的湍流；以及减小对源代码的修改，快速高效地获得所需湍流入口条件。

为实现上述目的，本发明提供了一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，所述方法包括：

步骤1：获得飞行器计算域的湍流入口边界条件；

步骤2：基于飞行器来流信息和所述湍流入口边界条件完成飞行器计算域的边界条件设置和初始条件设置，并划分飞行器计算域的网格；

步骤3：基于飞行器计算域的网格信息、飞行器计算域的边界条件设置信息和初始条件设置信息，对飞行器的环境流场进行模拟计算；

其中，所述步骤1具体包括：

步骤1.1：获得所述设定的随机三维速度扰动场；

步骤1.2：基于所述设定的随机三维速度扰动场，获得瞬态速度扰动场；

步骤1.3：将所述瞬态速度扰动场叠加到预设平均流场获得物理湍流速度场，基于所述物理湍流速度场获得飞行器计算域的湍流入口边界条件。