一種地形與風場的聯(lián)合建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種地形與風場的聯(lián)合建模方法，包括步驟一：對地形等高線圖進行數(shù)據(jù)采集；步驟二：根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行地形建模；步驟三：將風場條件輸入到地形模型中，進行地形與風場的聯(lián)合解算。本發(fā)明的地形與風場的聯(lián)合建模方法可真實復現(xiàn)地形，并在此地形模擬的基礎上完成風場的計算，本發(fā)明中僅需輸入地形等高線數(shù)據(jù)和模擬區(qū)域內(nèi)的平均風速即可實現(xiàn)地形與風場的同步模擬；無需經(jīng)過先模擬地形、再對地形模型簡化，最后再計算逢場的復雜步驟，對于簡單/復雜地形和風場的模擬均可適用，具有構造簡單、計算量小、精度高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種地形與風場的聯(lián)合建模方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于航空技術領域，尤其涉及一種地形與風場的聯(lián)合建模方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有地形與風場模擬方法中，地形模擬與風場解析采用相互獨立的分析模型和計 算過程。
[0003] 地形建模主要解決的問題是根據(jù)給定的地形數(shù)據(jù)，建立逼真表示地形表面的曲面 模型。目前，地形定量分析與三維建模研究中，通常最簡單并常用的方法是數(shù)據(jù)擬合法。
[0004] 風場建模以能夠真實的復原風場為研究目標，根據(jù)研究方向的不同模擬的方法也 有區(qū)別。目前風場建模仿真方法主要有3類:基于大氣動力學理論的仿真方法、實測風場數(shù) 據(jù)法，以及基于位勢流理論的工程仿真方法?；诖髿鈩恿W理論的仿真方法可以詳細考 慮大氣的溫度、能量、氣壓等參數(shù)的變化，并給出三維過山氣流完整的數(shù)值解，該方法多用 于氣象研究，具有計算工作量巨大、物理參數(shù)復雜的特點，很難直接應用于航空工程領域。 實測風場數(shù)據(jù)法最為貼近實際情況，但需要龐大的數(shù)據(jù)存儲空間，測量工作也需要耗費大 量的人力物力，且獲得的風場狀態(tài)極為有限，復現(xiàn)風場的難度也較大。工程模擬方法是用簡 單的流體力學模型模擬山體地形的影響，可以宏觀的描述過山氣流的主要特點，但在地形 建模的過程中參數(shù)選取復雜、工作量較大，在分析過程中，為使地形盡可能接近實際，需要 對地形特征參數(shù)進行反復調(diào)整，地形的簡化直接了影響風場的模擬結果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種地形與風場的聯(lián)合建模方法，解決目前的建模方法或建 模不準確、或工作量大的問題。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:一種地形與風場的聯(lián)合建模方法，包 括
[0007] 步驟一:對地形等高線圖進行數(shù)據(jù)采集；
[0008] 步驟二:根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行地形建模；
[0009] 步驟三:將風場條件輸入到地形模型中，進行地形與風場的聯(lián)合解算。
[0010] 進一步地，步驟一中對地形的等高線圖進行數(shù)據(jù)采集步驟包括
[0011] 1)建立坐標系，以所述地形的等高線圖區(qū)域為模擬地形區(qū)域；
[0012] 2)按預定方式對等高線圖進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)包括平面坐標及高程數(shù)據(jù)， 所述高程數(shù)據(jù)即為高度坐標，所述數(shù)據(jù)稱為已知點。
[0013] 進一步地，所述坐標系中以海平面為XY平面、以海拔高度Z軸坐標。
[0014] 進一步地，所述預定方式包括等時間間隔數(shù)據(jù)采集和等間距高度采集。
[0015] 進一步地，步驟二中，地形建模步驟包括
[0016] 1)在模擬地形區(qū)域內(nèi)，對平行于XY平面的點進行隨機采集，采集到的點作為模擬 占 .
[0017] 2)根據(jù)模擬點的平面坐標，采用三角形網(wǎng)格生成方法，構造模擬地形的三角形網(wǎng) 格；
[0018] 3)根據(jù)坐標系下采集到的已知點的平面坐標和高程數(shù)據(jù)，及模擬點的平面數(shù)據(jù)， 利用插值法，得到已知點和模擬點之間的形態(tài)轉換關系，并結合已知點的高度坐標，得到模 擬點的高度坐標，完成三維地形的模擬，即完成了地形的建模。
[0019] 進一步地，所述插值法采用的是樣條插值法。
[0020] 進一步地，步驟三中，所述將風場條件輸入到地形模型中進行風場與地形的聯(lián)合 解算，其具體步驟包括
[0021 ] (1)模擬地形區(qū)域內(nèi)測量得到的勻直流流速為V~，在模擬地形的三角形網(wǎng)格中，沿 每個地形三角形網(wǎng)格的三條邊布置直線渦段，形成空間渦環(huán)單元，結合物面的不可穿透條 件，即可獲得每個三角網(wǎng)格上布置渦環(huán)的相關信息；
[0022] (2)利用渦環(huán)的誘導速度公式，即可得到空間任意一點的誘導速度Vp1，那么風場內(nèi) 任意一點的風速即為該點誘導速度和勻直流速度的線性疊加，即
[0023] Wp = vPi+V=〇
[0024] 由此便可以得到模擬地形區(qū)域內(nèi)空間任意一點的風速值。
[0025] 本發(fā)明的一種地形與風場的聯(lián)合建模方法可真實復現(xiàn)地形，并在此地形模擬的基 礎上完成風場的計算，本發(fā)明中僅需輸入地形等高線數(shù)據(jù)和模擬區(qū)域內(nèi)的平均風速即可實 現(xiàn)地形與風場的同步模擬;無需經(jīng)過先模擬地形、再對地形模型簡化，最后再計算逢場的復 雜步驟，對于簡單/復雜地形和風場的模擬均可適用，具有構造簡單、計算量小、精度高等優(yōu) 點。
【附圖說明】
[0026]此處的附圖被并入說明書中并構成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實施 例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
[0027] 圖1為本發(fā)明的等高線圖以及已知數(shù)據(jù)提取點示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明的模擬地形網(wǎng)格劃分示意圖；
[0029]圖3為本發(fā)明的得到的三維地形數(shù)值模型示意圖；
[0030] 圖4為本發(fā)明的地形與風場的流線圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發(fā)明實施的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中 的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行更加詳細的描述。在附圖中，自始至終相同或類 似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實施例是本發(fā)明 一部分實施例，而不是全部的實施例。下面通過參考附圖描述的實施例是示例型的，旨在用 于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人 員在沒有作出創(chuàng)造型勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。下 面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細說明。
[0032] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語"中心"、"縱向"、"橫向"、"前"、"后"、 "左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關系為基于附圖所 示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝 置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明保護 范圍的限制。
[0033] 以圖1的等高線圖為模擬目標為例模擬該區(qū)域的三維地形與相應的風場。
[0034] 首先，建立模擬地形區(qū)域適當?shù)淖鴺讼担緦嵤├凶鴺讼抵幸院Ｆ矫鏋閄Y平面、 以海拔高度Z軸坐標，方便坐標系與等高線圖的坐標系相匹配。對基于等高線特性的地型特 征進行提取，根據(jù)等高線地圖提供的信息，設共選取η個等高線結點（圖1中的點），并將所有 結點的坐標位置用二維矩陣Xk表示，高度用列向量H k表示。圖1中的點即為已知點，獲取了已 知點的平面坐標及高度坐標。
[0035]然后，取與實際地形相對應的5000mX 2300m為模擬地形區(qū)域，獲取模擬地形區(qū)域 的平面點及其坐標，為地形模擬的模擬數(shù)據(jù)或模擬點；并采用三角形網(wǎng)格生成方法，構造成 模擬地形的三角形網(wǎng)格。
[0036]以圖2中的點為構造三角形網(wǎng)格的模擬數(shù)據(jù)或模擬點，三個模擬點組成的三角形 網(wǎng)格為地形模擬的三角形單元網(wǎng)格。
[0037]之后，已知η個等高線結點坐標XdPm個地形網(wǎng)格結點（或稱模擬點）的坐標Xu，利用 形態(tài)插值算法(具體的為樣條插值法)確定兩者之間的插值矩陣Guk，即模擬數(shù)據(jù)或模擬點與 已知數(shù)據(jù)或已知點之間的形態(tài)轉換關系。由此可以插值得到所有地形網(wǎng)格結點對應的高度 數(shù)據(jù)H u，具體表達為 [0038] Hu = GukHk
[0039]得到的地形網(wǎng)格坐標數(shù)據(jù)Xu和高度數(shù)據(jù)Hu。通過可視化軟件對實際地形建模結果 進行三維顯示，如圖3所示。
[0040] 最后，該模擬地形區(qū)域測量得到的勾直流流速為V~= [UQ VQ WQ]T。以已完成的地 形模擬網(wǎng)格為基礎，沿每個地形三角形網(wǎng)格的三條邊布置直線渦段，形成空間渦環(huán)單元，結 合物面的不可穿透條件，即可獲得每個三角網(wǎng)格上布置渦環(huán)的相關信息，相關信息即為渦 環(huán)的位置坐標與渦環(huán)的強度。
[0041]
[0042]其中，Γ為渦環(huán)的強度，Amc為法向誘導速度系數(shù)矩陣，Ao是與單元法向和遠前方 來流相關的常系數(shù)列陣。
[0043]利用渦環(huán)的誘導速度公式，即可得到空間任意一點的誘導速度Vp1，那么風場內(nèi)任 意一點的風速即為該點誘導速度和勻直流速度的線性疊加，即
[0044] Wp = vPi+V=〇
[0045] 由此便可以得到該模擬區(qū)域內(nèi)空間任意一點的風速值。通過可視化軟件便可以顯 示出該區(qū)域風場的流線圖（如圖4所示）。
[0046] 本發(fā)明提供的地形和風場的聯(lián)合建模方法首次將地形模擬與風場模擬相融合，開 辟了同時完成地形模擬與風場復現(xiàn)的新思路;本發(fā)明的方法適用于簡單或復雜地形的模擬 及風場復現(xiàn)，解決了工程應用中地形和風場模擬相互獨立的難題，不僅提高了地形模擬的 真實性，同時提高了風場復現(xiàn)的準確性;另外，本發(fā)明的方法建模參數(shù)獲取簡單，易于求解， 并可給出較為精準的風場分布，滿足工程實際需求。通過本發(fā)明的方法建立的仿真模型不 僅為飛行動力學研究提供的分析模型，還可為載荷分析、操穩(wěn)分析等提供仿真模型;建立的 仿真模型可用于飛行動力學研究中，飛機在低空復雜風場中運動特性的研究，還可擴展用 于動響應分析、陣風減緩、突風響應分析等研究領域;本發(fā)明為后續(xù)復雜風場建模的研究， 為研究飛機的低空飛行性能等提供可靠的環(huán)境模擬基礎，同時也可擴展到類似飛行模擬器 等仿真模擬領域。
[0047]以上所述，僅為本發(fā)明的最優(yōu)【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以所述權利要求的保護范 圍為準。
【主權項】
1. 一種地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，包括： 步驟一:對地形等高線圖進行數(shù)據(jù)采集； 步驟二:根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行地形建模； 步驟三:將風場條件輸入到地形模型中，進行地形與風場的聯(lián)合解算。2. 根據(jù)權利要求1所述的地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，步驟一中，對地形 的等高線圖進行數(shù)據(jù)采集步驟包括： 1) 建立坐標系，以所述地形的等高線圖區(qū)域為模擬地形區(qū)域； 2) 按預定方式對等高線圖進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)包括平面坐標及高程數(shù)據(jù)，所述 高程數(shù)據(jù)即為高度坐標，所述數(shù)據(jù)稱為已知點。3. 根據(jù)權利要求2所述的地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述坐標系中以海 平面為XY平面、以海拔高度為Z軸坐標。4. 根據(jù)權利要求3所述的地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述預定方式包括 等時間間隔數(shù)據(jù)采集和等間距高度采集。5. 根據(jù)權利要求4所述的地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，步驟二中，地形建 模步驟包括： 1) 在模擬地形區(qū)域內(nèi)，對平行于XY平面的點進行隨機采集，采集到的點作為模擬點； 2) 根據(jù)模擬點的平面坐標，采用三角形網(wǎng)格生成方法，構造模擬地形的三角形網(wǎng)格； 3) 根據(jù)坐標系下采集到的已知點的平面坐標和高程數(shù)據(jù)，及模擬點的平面數(shù)據(jù)，利用 插值法，得到已知點和模擬點之間的形態(tài)轉換關系，并結合已知點的高度坐標，得到模擬點 的高度坐標，完成三維地形的模擬，即完成了地形的建模。6. 根據(jù)權利要求5所述的地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，所述插值法采用的 是樣條插值法。7. 根據(jù)權利要求6所述的地形與風場的聯(lián)合建模方法，其特征在于，步驟三中，所述將 風場條件輸入到地形模型中進行風場與地形的聯(lián)合解算，其具體步驟包括： (1) 模擬地形區(qū)域內(nèi)測量得到的勻直流流速為V?，在模擬地形的三角形網(wǎng)格中，沿每個 地形三角形網(wǎng)格的三條邊布置直線渦段，形成空間渦環(huán)單元，結合物面的不可穿透條件，即 可獲得每個三角網(wǎng)格上布置渦環(huán)的相關信息； (2) 利用渦環(huán)的誘導速度公式，即可得到空間任意一點的誘導速度VPl，那么風場內(nèi)任意 一點的風速即為該點誘導速度和勻直流速度的線性疊加，即W P = VPi+Vc? 由此便可以得到模擬地形區(qū)域內(nèi)空間任意一點的風速值。
【文檔編號】G06F17/50GK106055788SQ201610374228
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月31日
【發(fā)明人】唐矗, 張紅波, 孫曉紅, 楊佑緒
【申請人】中國航空工業(yè)集團公司西安飛機設計研究所