一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.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。
6.其中，本发明的原理为：通过设定的随机三维速度扰动场，使流场满足平均流动条件和空间两点相关条件，通过变换系数使其满足时间两点相关条件，引入通用参考雷诺应力，使瞬态速度扰动场满足单点相关性和二阶统计量，这些计算步骤的综合运用确保了生成的湍流场满足了物理湍流场的平均流动条件、时间和空间尺度以及一阶、二阶统计量，同时这一过程简单易操作，为独立的计算过程，不需要设定额外计算域或改动原始核心计算代码，因而在保证精度的同时确保了计算效率。
7.优选的，所述步骤1.2具体包括：基于所述设定的随机三维速度扰动场，获得转换系数；基于所述转换系数和通用参考雷诺应力，获得瞬态速度扰动场。
8.优选的，所述步骤1.1具体包括：定义一个离散的滤波函数，n为正整数，设定的随机三维速度扰动场表示为：为：为总数为m的随机数序列，是与对应的随机数系数，k和l均为整数， k=1，2，3，
……
。
9.优选的，随机数序列的平均数为0，方差为1。这样设计能够满足两点相关性条件，这一关系为真实湍流场的必备特征。
10.优选的，的计算方式为：其中，中间量的计算方式为：其中，为时的平方，为空间标志参数。
11.优选的，转换系数的计算方式为：其中，将第n个时间步长的设定的随机三维速度扰动场记为，将第n-1个时间步长的设定的随机三维速度扰动场记为，为时间步长，为时间标志参数。
12.优选的，瞬态速度扰动场的计算方式为：其中，、和为瞬态速度扰动场中坐标轴三个方向的速度分量，，，，，为通用参考雷诺应力；、和分别为x、y和z三个方向上的转换系数。
13.优选的，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的计算方式为：其中，、和为物理湍流速度场中坐标轴三个方向的速度分量，为预设平均流场中坐标轴三个方向的平均速度分量。
14.优选的，飞行器来流信息包括：飞行器来流环境的速度、温度和压力。
15.优选的，所述方法还包括步骤4：基于步骤3的模拟计算结果计算获得飞行器绕流场中任意点的流场参数，基于所述流场参数计算获得飞行器的性能参数。
16.本发明提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本方法不需要额外的辅助计算域，减小了飞行器的环境流场模拟计算的复杂度和计算成本；本方法考虑了下游流动对上游入口湍流场的影响，获得的湍流场更为真实，使得飞行器的环境流场模拟计算更准确；本方法不会引入低频不确定干扰，所得湍流场更为合理，使得飞行器的环境流场模拟计算更准确；本方法湍流发展速度快，在较小流向长度范围就可以得到成熟的湍流，可以减少
飞行器的环境流场模拟计算的成本和计算量。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；图1为一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法的流程示意图；图2为自然发展法和本方法的湍流计算域大小对比示意图；图3为速度剖面曲线验证图；图4为雷诺应力剖面曲线验证图。
具体实施方式
18.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
19.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
20.实施例一请参考图1，图1为一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法的流程示意图，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。
21.其中，本实施例中湍流入口边界条件不中包括三个子步骤，首先获得设定三维速度扰动场，并使其满足两点相关性条件；其次将所得的设定三维速度扰动场转换为真实的瞬态速度扰动场，并使其满足互相关条件；最后将得到的瞬态速度扰动场叠加到指定的平均流场上，以获得合成的物理湍流。其中两点相关性和互相关特征为真实湍流场的必备特征。
22.具体技术方案如下：获得设定的随机三维速度扰动场：为简化说明，以一维物理问题为例，进行说明。首先定义一个离散的滤波函数
（n为正整数），则一个随机扰动场可以表示为：（1）其中，是总数为m的一系列随机数，是与之对应的随机数系数（k和l均为整数，其中k=1，2，3，
……
）。为了满足两点相关性条件，随机数序列满足平均数为0，方差为1的条件。随机数系数可以由下式获得：（2）其中，中间量由下式计算：由下式计算：为时的平方，为空间标志参数，等于惯性尺度与网格尺寸的比值，而随机数可以采用mersennetwister（具体方法可参考文献matsumoto m, nishimura t. mersenne twister: a 623-dimensionally equidistributed uniform pseudo-random number generator[j]. acm transactions on modeling and computer simulation, 1998, 8(1): 3
–
30.）方法生成，利用式（1）即可获得假定的三维速度扰动场，将第n个时间步长的三维速度扰动场记为。
[0023]
获得真实的瞬态速度扰动场：首先获得转换系数：（3）其中，为时间步长，为时间标志参数，等于惯性尺度与主流速度的比值。进而真实三维瞬态速度扰动场为： (4)其中，，，，，
为给定的通用参考雷诺应力，这一数据来源于现有的任意湍流场参考数据。
[0024]
叠加得到完整的物理湍流速度场：其中，为坐标轴三个方向的速度分量，为三个方向的平均速度分量，可以通过积分边界层方程获得。
[0025]
获得飞行器的性能参数：得到飞行器计算域的入口边界条件以后，根据飞行器来流环境的速度、温度和压力，设置计算域的其他边界条件和初始条件，并划分计算域的网格，然后可以利用大涡模拟或直接数值模拟方法（pope s b. turbulent flows[m]. cambridge university press, 2000.）对飞行器的环境流场进行模拟计算，从而获得飞行器绕流场中任意点的流场参数，如压力、密度、速度等，进而可以通过简单计算获得飞行器的升力、阻力等性能参数。
[0026]
实施例二请参考图2，图2为自然发展法和本方法的湍流计算域大小对比示意图，图2中的1为自然发展法对应的湍流计算域，图2中的2为本方法对应的湍流计算域，从图2中可以看出本方法的计算域尺寸明显小于自然发展法对应的湍流计算域尺寸。
[0027]
本发明的具体实施步骤如下：以某平板算例采用大涡模拟方法进行高精度仿真为例进行说明。初始流场的主流参数为：雷诺数，马赫数，滞止压力，滞止温度，入口边界层厚度为。
[0028]
确定算例的计算域大小，流向x方向计算域长度为，垂直于平板的y方向计算域长度为，展向z方向计算域长度为；对计算域进行网格划分，得到壁面处三个方向x, y, z的网格尺寸。
[0029]
根据主流参数和边界层方程，获得入口处流场的平均参数，包括平均速度，平均温度和平均压力。
[0030]
根据mersennetwister方法，确定三维随机数场；根据公式：
确定对应的系数，其中为对应方向的惯性尺度与网格尺寸的比值，惯性尺度为流场的特征尺度，可以取边界层的厚度，则。垂直壁面和展向的计算以此类推。
[0031]
获得设定速度扰动场：其中，为任意大于的整数，为任意大于的整数，为任意大于的整数。
[0032]
根据下式计算转换系数：其中，代表时间步长，代表第n步的值，为惯性尺度与主流速度的比值，惯性尺度为流场的特征尺度，可以取边界层的厚度，则。
[0033]
计算符合物理规律的湍流速度扰动场：其中，，，，,为给定的通用参考雷诺应力，这一数据来源于现有的任意湍流场参考数据。
[0034]
叠加得到最终的湍流场：获得飞行器的性能参数：得到飞行器计算域的入口边界条件以后，根据飞行器来流环境的速度、温度和压力，设置计算域的其他边界条件和初始条件，并划分计算域的网格，然后可以利用大涡模拟
或直接数值模拟方法对飞行器的环境流场进行模拟计算，从而获得飞行器绕流场中任意点的流场参数，如压力、密度、速度等，进而可以通过简单计算获得飞行器的升力、阻力等性能参数。
[0035]
请参考图3-图4，图3为速度剖面曲线验证图，从图3中可以看出该方法获得的速度剖面曲线与参考验证数据和理论值几乎完全一致，图4为雷诺应力剖面曲线验证图，从图4中可以看出该方法获得的雷诺应力曲线与参考验证数据基本吻合，图3和图4中的频率选择技术即本发明中的方法。
[0036]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0037]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，所述步骤1.2具体包括：基于所述设定的随机三维速度扰动场，获得转换系数；基于所述转换系数和通用参考雷诺应力，获得瞬态速度扰动场。3.根据权利要求2所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，所述步骤1.1具体包括：定义一个离散的滤波函数，n为正整数，设定的随机三维速度扰动场表示为：表示为：为总数为m的随机数序列，是与对应的随机数系数，k和l均为整数，k=1，2，3，
……
。4.根据权利要求3所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，随机数序列的平均数为0，方差为1。5.根据权利要求3所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，的计算方式为：其中，中间量的计算方式为：
其中，为时的平方，为空间标志参数。6.根据权利要求3所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，转换系数的计算方式为：其中，将第n个时间步长的设定的随机三维速度扰动场记为，将第n-1个时间步长的设定的随机三维速度扰动场记为，为时间步长，为时间标志参数。7.根据权利要求6所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，瞬态速度扰动场的计算方式为：其中，、和为瞬态速度扰动场中坐标轴三个方向的速度分量，，，，，为通用参考雷诺应力；、和分别为x、y和z三个方向上的转换系数。8.根据权利要求7所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，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的计算方式为：其中，、和为物理湍流速度场中坐标轴三个方向的速度分量，为预设平均流场中坐标轴三个方向的平均速度分量。9.根据权利要求1所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，飞行器来流信息包括：飞行器来流环境的速度、温度和压力。10.根据权利要求1所述的一种飞行器的环境湍流场生成与模拟计算方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4：基于步骤3的模拟计算结果计算获得飞行器绕流场中任意点的流场参数，基于所述流场参数计算获得飞行器的性能参数。

技术总结
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。湍流入口条件。湍流入口条件。


技术研发人员：胡伟波 万兵兵 董康生 涂国华 陈坚强 袁先旭
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2022/3/8