本發(fā)明屬于計(jì)算流體力學(xué)，涉及一種火箭級(jí)間分離大范圍部件機(jī)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)流場(chǎng)仿真方法。

背景技術(shù)：

1、在航天航空領(lǐng)域，含有部件大范圍運(yùn)動(dòng)的非定常流動(dòng)過程是一類重要的流體-運(yùn)動(dòng)耦合問題，廣泛存在于級(jí)間分離、掛載分離等過程中。處理此種運(yùn)動(dòng)范圍較大的邊界運(yùn)動(dòng)問題中的主要方法一是重疊動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，該方法首先劃分出一個(gè)覆蓋完整計(jì)算域的背景網(wǎng)格，并為每個(gè)運(yùn)動(dòng)部件周圍劃分一塊獨(dú)立的、跟隨部件運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格，通過網(wǎng)格之間的重疊區(qū)的插值實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的演化。二是采用網(wǎng)格變形與局部重構(gòu)相結(jié)合的方法。分離仿真過程中，可將動(dòng)邊界周圍一定范圍設(shè)成網(wǎng)格變形區(qū)，該區(qū)網(wǎng)格隨著邊界的運(yùn)動(dòng)而變形，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲的網(wǎng)格單元時(shí)，重新生成變形區(qū)內(nèi)的網(wǎng)格，即進(jìn)行局部網(wǎng)格重構(gòu)，此過程中流動(dòng)參數(shù)通過插值運(yùn)算從舊網(wǎng)格映射得到。重疊動(dòng)網(wǎng)格方法與變形-重構(gòu)混合方法具備各自的優(yōu)勢(shì)：前者能夠適應(yīng)多種場(chǎng)景下的運(yùn)動(dòng)部件非定常流動(dòng)仿真，但是求解過程中需引入網(wǎng)格重疊區(qū)的分區(qū)、挖洞、尋點(diǎn)、插值以及由于并行計(jì)算引入的并行重疊網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)，帶來較大計(jì)算量和復(fù)雜的網(wǎng)格處理，對(duì)程序開發(fā)和優(yōu)化帶來較大挑戰(zhàn)，同時(shí)重疊動(dòng)網(wǎng)格方法對(duì)網(wǎng)格單元尺度較為敏感，往往要求網(wǎng)格重疊區(qū)的單元尺度彼此量級(jí)一致，對(duì)前處理過程帶來較高要求。變形重構(gòu)混合動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)由于仿真過程中始終在一套網(wǎng)格內(nèi)進(jìn)行，并且具備自動(dòng)化的網(wǎng)格重構(gòu)能力，前處理過程和計(jì)算程序開發(fā)更容易實(shí)現(xiàn)，但此種方法的一個(gè)重要瓶頸是網(wǎng)格變形過程如果難以保持較好的網(wǎng)格單元質(zhì)量，導(dǎo)致計(jì)算過程收斂較慢，從而帶來頻繁的網(wǎng)格重構(gòu)，使計(jì)算效率和計(jì)算精度難以滿足設(shè)計(jì)需求。

2、近年來，隨著新型運(yùn)載火箭級(jí)間分離技術(shù)的提出和應(yīng)用，較多出現(xiàn)了不同維度上尺度差異較大的運(yùn)動(dòng)部件，如殼體破片、噴管等，通常為薄壁結(jié)構(gòu)類型。若采用重疊動(dòng)網(wǎng)格方法，其部件網(wǎng)格塊和背景網(wǎng)格塊的網(wǎng)格單元尺度相差較大，為此需要在前處理過程中對(duì)殼體邊緣區(qū)域和縫隙區(qū)域進(jìn)行較多人工干涉，帶來仿真工作難度提高和周期延長。為此，有必要建立一種能夠保持較高網(wǎng)格單元質(zhì)量的網(wǎng)格變形方法，使變形-重構(gòu)混合動(dòng)網(wǎng)格方法能夠適應(yīng)薄壁結(jié)構(gòu)部件大范圍運(yùn)動(dòng)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明針對(duì)網(wǎng)格變形動(dòng)網(wǎng)格存在的網(wǎng)格變形過程計(jì)算量大、魯棒性不足、邊界條件類型隨時(shí)間切換的難題，提出一種火箭級(jí)間分離大范圍部件機(jī)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)流場(chǎng)仿真方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)火箭級(jí)間分離大范圍部件機(jī)動(dòng)過程這一復(fù)雜場(chǎng)景的高效建模，提高了仿真效率和魯棒性。

2、本發(fā)明解決技術(shù)的方案是：一種火箭級(jí)間分離大范圍部件機(jī)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)流場(chǎng)仿真方法，包括以下步驟：

3、s1、生成部件表面網(wǎng)格，對(duì)各區(qū)域網(wǎng)格單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)類型標(biāo)簽賦值，并設(shè)置每個(gè)虛擬邊界對(duì)應(yīng)的打開時(shí)間；

4、s2、完成仿真控制參數(shù)設(shè)置，包括遠(yuǎn)場(chǎng)和發(fā)動(dòng)機(jī)噴流入口邊界條件參數(shù)、通量求解方法、單元面物理量重構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)單元內(nèi)物理量初始化，啟動(dòng)流動(dòng)仿真；

5、s3、遍歷每個(gè)虛擬邊界對(duì)應(yīng)的打開時(shí)間，確定當(dāng)前計(jì)算時(shí)間步上虛擬邊界上的通量，包括計(jì)算虛擬邊界和其他一般單元邊界上的通量；

6、s4、根據(jù)當(dāng)前計(jì)算時(shí)間步上虛擬邊界上的通量，計(jì)算下一時(shí)間步上的單元內(nèi)物理量，積分出作用于各個(gè)部件的氣動(dòng)力和力矩，并計(jì)算下一時(shí)間步各個(gè)部件的質(zhì)心平移位置和繞其主慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；

7、s5、根據(jù)各部件下一時(shí)間步的質(zhì)心平移位置和繞其主慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)確定計(jì)算域中各類運(yùn)動(dòng)類型區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元的節(jié)點(diǎn)位置，完成網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)和網(wǎng)格變形，重復(fù)步驟s3~s5，完成部件機(jī)動(dòng)的高動(dòng)態(tài)流場(chǎng)仿真。

8、進(jìn)一步的，生成部件表面網(wǎng)格，對(duì)各區(qū)域網(wǎng)格單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)類型標(biāo)簽賦值，并設(shè)置每個(gè)虛擬邊界對(duì)應(yīng)的打開時(shí)間，具體包括：

9、s11，生成部件表面網(wǎng)格；

10、s12，在部件與部件形成縫隙處以及部件表面含有的孔洞處建立虛擬邊界；

11、s13，利用陣面推進(jìn)方法生成部件表面網(wǎng)格邊界層網(wǎng)格；

12、s14，利用delaynay方法，分區(qū)域生成計(jì)算域中部件表面邊界層以外的區(qū)域中的網(wǎng)格單元：如果部件表面網(wǎng)格邊界層網(wǎng)格以外的區(qū)域中含有虛擬邊界，則以虛擬邊界作為網(wǎng)格生成的雙側(cè)邊界，將整個(gè)區(qū)域分為左右兩側(cè)兩個(gè)區(qū)域并分別生成網(wǎng)格單元；

13、s15，對(duì)各區(qū)域網(wǎng)格單元進(jìn)行運(yùn)動(dòng)類型標(biāo)簽賦值，包括以下類型：

14、靜止區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)單元計(jì)算過程中保持靜止不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)類型標(biāo)簽批量賦值為0；

15、剛體運(yùn)動(dòng)區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)單元將跟隨某一部件進(jìn)行剛體運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)類型標(biāo)簽為與部件編號(hào)一致；

16、局部變形區(qū)域：此區(qū)域內(nèi)單元計(jì)算過程中可進(jìn)行變形，運(yùn)動(dòng)類型標(biāo)簽批量賦值為-1；

17、s16，對(duì)每個(gè)虛擬邊界記錄其相鄰區(qū)域的編號(hào)信息：第 i個(gè)虛擬邊界的編號(hào)由雙元數(shù)（zoneleft_i,?zoneright_i）表示，分別代表該虛擬邊界左右兩側(cè)所在網(wǎng)格區(qū)域的編號(hào)；

18、s17，對(duì)每個(gè)虛擬邊界設(shè)置其對(duì)應(yīng)的打開時(shí)間。

19、進(jìn)一步的，步驟s14中，區(qū)域編號(hào)采用n×10+1的方式進(jìn)行命名，n為正整數(shù)。

20、進(jìn)一步的，s17所述的對(duì)每個(gè)虛擬邊界設(shè)置其對(duì)應(yīng)的打開時(shí)間，包括：

21、根據(jù)火箭級(jí)間分離的過程：

22、設(shè)置級(jí)間段分離體部件表面孔洞對(duì)應(yīng)虛擬邊界的打開時(shí)間為級(jí)間段排焰窗口打開時(shí)間；

23、設(shè)置級(jí)間段分離體部件與部件之間縫隙構(gòu)成的虛擬邊界的打開時(shí)間為火工品切割的時(shí)間；

24、設(shè)置火箭上面級(jí)部件、下面級(jí)部件與分離體部件之間的縫隙構(gòu)成的虛擬邊界的打開時(shí)間為自由分離的時(shí)間；

25、對(duì)每個(gè)虛擬邊界上的打開時(shí)間進(jìn)行排序，記錄最后一個(gè)虛擬邊界的打開時(shí)間，記為。

26、進(jìn)一步的，確定當(dāng)前計(jì)算時(shí)間步上虛擬邊界上的通量，包括：

27、用邏輯變量記錄是否需要改變虛擬邊界的開啟狀態(tài)，如果當(dāng)前計(jì)算步物理時(shí)間大于最后一個(gè)虛擬邊界的打開時(shí)間，則無需更新虛擬邊界開啟狀態(tài)，為假；否則執(zhí)行以下流程：

28、用變量記錄下一個(gè)虛擬邊界的預(yù)判打開時(shí)間在上一個(gè)時(shí)間步計(jì)算的結(jié)果，用變量記錄下一個(gè)虛擬邊界的預(yù)判打開時(shí)間，按編號(hào)順序遍歷每個(gè)編號(hào)為 i的虛擬邊界的打開時(shí)間：

29、如果小于當(dāng)前計(jì)算步物理時(shí)間，則無需再考慮編號(hào)為 i的虛擬邊界，編號(hào) i的值加1，遍歷下一個(gè)虛擬邊界的打開時(shí)間；否則執(zhí)行判斷：如果小于下一個(gè)虛擬邊界的預(yù)判打開時(shí)間，則將預(yù)判下一個(gè)虛擬邊界的打開時(shí)間重新賦值為；

30、將下一個(gè)虛擬邊界的預(yù)判的打開時(shí)間和在上一個(gè)時(shí)間步計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，如果兩者相等，則無需重新改變某個(gè)虛擬邊界的開啟狀態(tài)，為假；如果兩者不相等，則需要重新設(shè)置虛擬邊界上的開啟狀態(tài)，為真；

31、計(jì)算計(jì)算域中所有單元面上的通量，如果某個(gè)單元面在虛擬邊界上同時(shí)為開啟狀態(tài)，則該單元面按內(nèi)部單元面處理，否則按照邊界單元面處理。

32、進(jìn)一步的，當(dāng)為真，重新設(shè)置虛擬邊界上的開啟狀態(tài)，方法如下：

33、按編號(hào)順序遍歷每個(gè)編號(hào)為 i的虛擬邊界的打開時(shí)間：如果小于當(dāng)前計(jì)算步時(shí)間，則繼續(xù)遍歷編號(hào)為 i的虛擬邊界左右兩側(cè)所在的區(qū)域編號(hào)（zoneleft_i,zoneright_i）；否則進(jìn)入下一步循環(huán)，編號(hào) i的值加1；

34、遍歷計(jì)算域中所有單元面：考慮遍歷編號(hào)為 j的單元左右兩側(cè)所在的區(qū)域編號(hào)（zoneleft_j,?zoneright_j），為減少左右兩側(cè)重復(fù)的邏輯判斷，僅判斷zoneleft_i×zoneright_i?與zoneleft_j×?zoneright_j是否相等，如果相等，則編號(hào)為 j的單元設(shè)置為開啟狀態(tài)。

35、進(jìn)一步的，根據(jù)各部件下一時(shí)間步的質(zhì)心平移位置和繞其主慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)確定計(jì)算域中各類運(yùn)動(dòng)類型區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元的節(jié)點(diǎn)位置，包括：

36、對(duì)于靜止類型區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格單元，其節(jié)點(diǎn)位置和上一時(shí)間步保持不變；

37、對(duì)于跟隨第 i個(gè)部件進(jìn)行剛體運(yùn)動(dòng)的區(qū)域，其節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)滿足以下方程：

38、

39、其中，為第 i個(gè)部件的質(zhì)心，為第 i個(gè)部件繞三個(gè)主慣性軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；

40、對(duì)于局部變形區(qū)域，采用頂點(diǎn)彈簧模型實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格變形運(yùn)動(dòng)，對(duì)于頂點(diǎn)彈簧，網(wǎng)格點(diǎn)所受的合力表示為：

41、

42、其中，為連結(jié)節(jié)點(diǎn) i、 j的彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)，是節(jié)點(diǎn)的位置矢量，為計(jì)算域內(nèi)單元節(jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，是與節(jié)點(diǎn)相連的節(jié)點(diǎn)數(shù)；對(duì)于所有節(jié)點(diǎn)，上式表示為線性系統(tǒng)，假設(shè)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)初始受力為零，則節(jié)點(diǎn)受力情況表示為如下系統(tǒng)：

43、

44、其中代表第 i行第 k列的矩陣系數(shù)，計(jì)算方法如下：

45、。

46、進(jìn)一步的，倔強(qiáng)系數(shù)的計(jì)算方法如下：

47、

48、其中代表節(jié)點(diǎn) i和節(jié)點(diǎn) j的距離，為邊界加強(qiáng)因子，表示扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，為常值。

49、進(jìn)一步的，邊界加強(qiáng)因子的計(jì)算方法如下：

50、

51、其中，為節(jié)點(diǎn) i和節(jié)點(diǎn) j相連單元邊中心距離各個(gè)固壁邊界的最短距離，為人工經(jīng)驗(yàn)距離參數(shù)，取為2倍的部件表面網(wǎng)格單元的平均尺寸。

52、進(jìn)一步的，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的計(jì)算方法如下：

53、

54、其中，表示連接節(jié)點(diǎn) i和節(jié)點(diǎn) j的單元邊所屬的所有三角單元的個(gè)數(shù)，為連接節(jié)點(diǎn) i和節(jié)點(diǎn) j的單元邊所屬的所有三角單元中第 m個(gè)三角單元的最小內(nèi)角。

55、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：

56、（1）本發(fā)明由于采用網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)變形單元分類，實(shí)現(xiàn)了一種批量式的、可自定義的動(dòng)網(wǎng)格單元類型標(biāo)記方法，在滿足仿真精度的前提下，將需要進(jìn)行網(wǎng)格變形的單元的區(qū)域局限到有限的范圍內(nèi)，減小了網(wǎng)格變形處理過程的計(jì)算開銷，將火箭級(jí)間分離大范圍部件機(jī)動(dòng)過程仿真中需要進(jìn)行網(wǎng)格變形的區(qū)域減少到工程應(yīng)用能夠接受的范圍。

57、（2）本發(fā)明由于采用虛擬邊界類型切換方法，實(shí)現(xiàn)了一種適用于火箭級(jí)間分離部件間縫隙和部件自身孔洞處邊界類型的自動(dòng)化的切換方法，在無需重新定義網(wǎng)格邊界類型和不顯著增加網(wǎng)格邊界類型處理計(jì)算量的條件下，更為高效的對(duì)火箭級(jí)間分離過程復(fù)雜時(shí)序進(jìn)行建模，能夠減小仿真設(shè)計(jì)人員的人在參與依賴。

58、（3）本發(fā)明由于采用基于壁面距離二次光滑函數(shù)的邊界效應(yīng)修正和基于三角形單元內(nèi)角的扭轉(zhuǎn)修正，實(shí)現(xiàn)了對(duì)邊界附近彈簧模型系數(shù)更為魯棒的加強(qiáng)方法，能夠有效適應(yīng)火箭級(jí)間分離大范圍部件機(jī)動(dòng)過程的復(fù)雜網(wǎng)格變形過程，提高仿真魯棒性。