專利名稱：一種飛行器多體分離模擬方法
一種飛行器多體分離模擬方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明是一種飛行器的多體分離模擬方法，用于模擬和解決飛行器投彈、級間分離、武器拋灑等多體分離問題。
背景技術(shù)：
當(dāng)前的計算流體力學(xué)CFD技術(shù)已經(jīng)能夠較為精確的計算飛行器的靜態(tài)氣動特性和流場，定常狀態(tài)的CFD計算已經(jīng)成為飛行器工程設(shè)計不可缺少的手段。但是對于那些存在強(qiáng)烈非定常效應(yīng)的流動，比如鳥類的撲翼、控制面的偏轉(zhuǎn)、多體之間的相對運(yùn)動等，CFD的精確模擬仍然存在困難，這是由于這些強(qiáng)烈的非定常效應(yīng)是由壁面邊界的快速運(yùn)動和大的位移所導(dǎo)致的。盡管當(dāng)前的CFD技術(shù)有能力處理此類的非定常運(yùn)動，但在計算效率、精度和工程應(yīng)用方面對運(yùn)動邊界的非定常CFD模擬仍然有大量的工作要做。
對運(yùn)動邊界的相對運(yùn)動，如級間分離等此類多體分離問題和舵面等控制面的偏轉(zhuǎn)問題等，此類數(shù)值模擬需要CFD數(shù)值模擬軟件具備處理網(wǎng)格運(yùn)動和變形的能力。處理網(wǎng)格運(yùn)動和變形的方法通常分為兩大類，分別是重疊網(wǎng)格和網(wǎng)格變形。無論是多體分離還是控制面偏轉(zhuǎn)，它們的運(yùn)動主要是剛體運(yùn)動，特別是多體分離，不同物體之間的相互運(yùn)動位移較大，如果采用網(wǎng)格變形的方法，大位移時勢必要對網(wǎng)格進(jìn)行重構(gòu)，增加了解決問題的難度。 重疊網(wǎng)格方法其各個網(wǎng)格內(nèi)部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也不會隨著物體的相對運(yùn)動而改變，因此基于重疊網(wǎng)格方法的數(shù)值模擬方法特別適合于處理物體之間的相對運(yùn)動。
最早的重疊網(wǎng)格是基于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格而發(fā)展的，目的是用于航天飛機(jī)之類復(fù)雜外形的網(wǎng)格生成，隨后逐漸的用于更多的方面?；诮Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格的重疊網(wǎng)格方法雖然部分改善了網(wǎng)格生成的難度，但仍然需要使用者大量的人工干預(yù)和較為豐富的使用經(jīng)驗，極大地限制了和抵消了重疊網(wǎng)格所帶來的優(yōu)點。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種飛行器的多體分離模擬方法，可方便的與現(xiàn)有技術(shù)方法結(jié)合，解決飛行器在投彈、級間分離、武器拋灑等情況下的多體分離模擬問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種飛行器多體分離模擬方法，步驟如下
(1)對組成飛行器的每個運(yùn)動物體分別獨立生成各自的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；
(2)按照飛行器當(dāng)前時刻對應(yīng)的分離狀態(tài)，對步驟(1)中生成的所有非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行重疊網(wǎng)格挖洞，屏蔽不參與流場計算的網(wǎng)格單元，并構(gòu)造重疊網(wǎng)格的洞邊界；
(3)根據(jù)步驟(2)中構(gòu)造的洞邊界，確定重疊網(wǎng)格的邊緣單元；
(4)確定每個邊緣單元的貢獻(xiàn)單元，所述的貢獻(xiàn)單元即為邊緣單元提供插值信息的位于其他非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的任意流場單元；
(5)確定從貢獻(xiàn)單元給邊緣單元的插值方法；
(6)對當(dāng)前時刻下飛行器的流場進(jìn)行解算，并根據(jù)解算結(jié)果進(jìn)行六自由度剛體運(yùn)動方程計算，確定飛行器中每個運(yùn)動物體的位移；(7)根據(jù)步驟(6)中確定的每個運(yùn)動物體的位移，移動每個運(yùn)動物體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的位置，得到飛行器下一時刻的分離狀態(tài)，將該分離狀態(tài)作為新的當(dāng)前時刻的分離狀態(tài)從步驟( 開始循環(huán)執(zhí)行，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的時刻。所述步驟O)中的構(gòu)造重疊網(wǎng)格的洞邊界步驟如下(2. 1)構(gòu)造每個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邊界面的交替數(shù)據(jù)樹ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對每個獨立的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將它的邊界面插入到對應(yīng)的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；(2.2)對每個網(wǎng)格單元，在其他非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中查找是否有可能與之相交的壁面；如果有，則將該單元標(biāo)記為切割單元；(2. 3)在完成所有的切割單元判斷后，從位于物理邊界的單元開始，使用填充算法快速的標(biāo)定流場單元；(2. 4)流場單元與切割單元相接的面形成洞邊界。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明所用到的非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法具有挖洞速度快、占用內(nèi)存?。回暙I(xiàn)單元查找迅速；貢獻(xiàn)單元查找過程中沒有額外的邊界處理問題；對超過2個以上的多體分離模擬可以很方便的擴(kuò)展。(2)傳統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法使用單元到不同網(wǎng)格的距離作為洞邊界構(gòu)造和貢獻(xiàn)單元查找的準(zhǔn)則。這種方法的優(yōu)點是在查找貢獻(xiàn)單元的同時就得到了洞邊界。其缺點在于需要對所有的單元都要進(jìn)行貢獻(xiàn)單元的查找，而且在邊緣單元和貢獻(xiàn)單元的空間分布不規(guī)則時容易失敗。在本發(fā)明中，洞邊界的構(gòu)造和貢獻(xiàn)單元的查找是分開進(jìn)行的，只需要對數(shù)量有限的邊緣單元進(jìn)行貢獻(xiàn)單元的查找，極大的降低了重疊網(wǎng)格的構(gòu)造時間。(3)本發(fā)明重疊網(wǎng)格洞邊界的構(gòu)造時采用ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲邊界面，可以快速的進(jìn)行查找判斷，同時僅增加很少的內(nèi)存。(4)本發(fā)明所介紹的方法與已有的方法相比，使用的流場網(wǎng)格可不限于四面體、三棱柱或六面體網(wǎng)格，支持任意多面體網(wǎng)格。挖洞方法只需要進(jìn)行局部的單元相交判斷。只對有需要的單元查找貢獻(xiàn)單元。貢獻(xiàn)單元查找過程中不涉及邊界處理。很容易擴(kuò)展到超過 2個的網(wǎng)格系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明方法流程簡圖；圖2為貢獻(xiàn)單元查找過程中遇到邊界時的處理；圖3為本發(fā)明的方法中邊緣單元確定和貢獻(xiàn)單元查找起始位置的獲得方法示意圖；圖4為應(yīng)用本發(fā)明的挖洞效果圖；圖5為采用本發(fā)明進(jìn)行的具體投彈實例結(jié)果；
具體實施例方式下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的實現(xiàn)過程。本發(fā)明一種飛行器多體分離模擬方法，如圖1所示方法步驟如下
(1)對組成飛行器的每個運(yùn)動物體分別獨立生成各自的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中的網(wǎng)格形狀不限于四面體、三棱柱或六面體網(wǎng)格，可以為任意多面體網(wǎng)格。
(2)按照飛行器當(dāng)前時刻對應(yīng)的分離狀態(tài)，對步驟(1)中生成的所有非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行重疊網(wǎng)格挖洞，屏蔽不參與流場計算的網(wǎng)格單元，形成重疊網(wǎng)格的洞邊界；
圖4為應(yīng)用本發(fā)明挖洞效果圖，圖如為機(jī)翼和掛架的網(wǎng)格，圖4b為投放物的網(wǎng)格?；疑氖橇鲌鼍W(wǎng)格，黑色的是挖洞結(jié)束后邊緣單元的網(wǎng)格。
重疊網(wǎng)格的一個主要挑戰(zhàn)是洞邊界的構(gòu)造?？焖佟Ⅳ敯舻亩催吔缢阉魉惴ㄊ侵丿B網(wǎng)格應(yīng)用于實際的基礎(chǔ)。在研究中，使用了如下的構(gòu)造方法
(2. 1)構(gòu)造每個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邊界面的交替數(shù)據(jù)樹ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對每個獨立的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將它的邊界面插入到對應(yīng)的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是公知的技術(shù)，其構(gòu)造、插入和查找有標(biāo)準(zhǔn)的方法這里不進(jìn)行贅述。
(2.2)對每個網(wǎng)格單元，在其他非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中查找是否有可能與之相交的壁面；如果有，則將該單元標(biāo)記為切割單元。由于采用了 ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲邊界面，可以非?？焖俚倪M(jìn)行近似相交判斷，極大的提高了查找效率；
(2. 3)在完成所有的切割單元判斷后，從位于物理邊界的單元開始，使用填充算法快速的標(biāo)定流場單元；
(2. 4)流場單元與切割單元相接的面形成洞邊界。
本發(fā)明由于使用了高效的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，切割單元的查找非?？焖?。以兩個重疊的100萬量級的網(wǎng)格為例，搜索切割單元的時間少于1秒。又由于ADT結(jié)構(gòu)僅對邊界面構(gòu)造，內(nèi)存的增加很小，約增加不作重疊計算時所需內(nèi)存的2%。
(3)根據(jù)步驟(2)中構(gòu)造的洞邊界，確定重疊網(wǎng)格的邊緣單元；
邊緣單元是各個獨立的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格之間的信息交流渠道。將與切割單元相鄰的流場單元標(biāo)記為邊緣單元。為了與用于流場求解的非定常雷諾時均Navier-Stokes方程 (RANS)的空間2階精度相匹配，需要將與這些邊緣單元相連的流場單元也標(biāo)記為邊緣單兀。
采用射線法判斷邊緣單元是否位于其他網(wǎng)格的內(nèi)部還是外部，同時獲得貢獻(xiàn)單元查找的起始位置。如圖3，點M為邊緣單元的中心，需要在網(wǎng)格區(qū)域N中查找貢獻(xiàn)單元。首先從邊緣單元中心發(fā)出一條射線，計算該射線與網(wǎng)格邊界的交點數(shù)量，當(dāng)交點個數(shù)為偶數(shù)時， 表明邊緣單元不在該網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)；當(dāng)交點個數(shù)為奇數(shù)時，表明邊緣單元在該網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，同時將離邊緣單元中心最近的交點所位于的單元作為貢獻(xiàn)單元查找的起始位置。
(4)確定每個邊緣單元的貢獻(xiàn)單元，所述的貢獻(xiàn)單元即為邊緣單元提供插值信息的位于其他非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的任意流場單元；
貢獻(xiàn)單元的確定采用的算法是基于鄰居到鄰居的查找方法。這種方法將三維的搜索簡化為準(zhǔn)一維的搜索，極大地提高了搜索效率。如圖2所示，圖中的C點為邊緣單元的中心，需要在圖2的網(wǎng)格中查找相應(yīng)的貢獻(xiàn)單元，以網(wǎng)格中的單元A作為貢獻(xiàn)單元查找的起始位置，通過鄰居到鄰居的查找方法可以很迅速的確定C點在網(wǎng)格中的位置，進(jìn)而得到以C點為單元中心的邊緣單元在該網(wǎng)格中的貢獻(xiàn)單元。
(5)確定從貢獻(xiàn)單元給邊緣單元的插值方法；
從貢獻(xiàn)單元給邊緣單元插值有多種方法。常用的方法是反距離權(quán)重平均和最小二乘。最小二乘可以實現(xiàn)插值的2階精度，反距離權(quán)重平均精度低于2階，但速度較快。實際使用中選用的是反距離權(quán)重平均插值，插值模板的選取是貢獻(xiàn)單元和與該貢獻(xiàn)單元相鄰的流場單元。由于不同網(wǎng)格之間的尺度分布不一致，導(dǎo)致部分邊緣單元無法找到貢獻(xiàn)單元，我們將這種單元稱之為孤立單元，這種情況在兩個物體非常靠近或非常遠(yuǎn)離時特別突出。當(dāng)遇到孤立單元時，它的流場變量值采用離它最近流場單元的值以保證整個流場的求解能夠繼續(xù)進(jìn)行。(6)對當(dāng)前時刻下飛行器的流場進(jìn)行解算，并根據(jù)解算結(jié)果進(jìn)行六自由度剛體運(yùn)動方程計算，確定飛行器中每個運(yùn)動物體的位移；上述流場的解算采用目前常用的非定常雙時間步方法求解非定常雷諾時均 Navier-Stokes方程(RANQ，偽時間步推進(jìn)采用隱式SGS方法求解，流場的更新僅對流場單元進(jìn)行，被屏蔽的內(nèi)部單元不進(jìn)行流場更新，邊緣單元的值通過插值得到。六自由度(DOF)剛體運(yùn)動方程的求解采用多步Runge-Kutta法計算。本發(fā)明同時將非定常雷諾時均Navier-Stokes方程(RANS)與6自由度剛體運(yùn)動方程(6D0F-RBD)耦合，可有效的模擬具有相對運(yùn)動的多體流場。通過對RANS的求解獲得飛行器各個部件的氣動力，該氣動力作為6D0F-RBD的輸入用于求解飛行器各個部件的運(yùn)動姿態(tài)，包括線位移、線速度、角位移和角速度。((7)根據(jù)步驟(6)中確定的每個運(yùn)動物體的運(yùn)動姿態(tài)，移動每個運(yùn)動物體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的位置，得到飛行器下一時刻的分離狀態(tài)，將該分離狀態(tài)作為新的當(dāng)前時刻的分離狀態(tài)從步驟( 開始循環(huán)執(zhí)行，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的時刻。例如預(yù)先設(shè)定的收斂條件是時間t = 10s，迭代步長At = 0. ls，迭代100次后達(dá)到預(yù)先設(shè)定的時刻。圖5為采用本發(fā)明進(jìn)行的具體投彈實例結(jié)果，顯示了不同時刻投放物的位置。本發(fā)明未詳細(xì)描述內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種飛行器多體分離模擬方法，其特征在于步驟如下(1)對組成飛行器的每個運(yùn)動物體分別獨立生成各自的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；(2)按照飛行器當(dāng)前時刻對應(yīng)的分離狀態(tài)，對步驟(1)中生成的所有非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行重疊網(wǎng)格挖洞，屏蔽不參與流場計算的網(wǎng)格單元，并構(gòu)造重疊網(wǎng)格的洞邊界；(3)根據(jù)步驟O)中構(gòu)造的洞邊界，確定重疊網(wǎng)格的邊緣單元；(4)確定每個邊緣單元的貢獻(xiàn)單元，所述的貢獻(xiàn)單元即為邊緣單元提供插值信息的位于其他非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的任意流場單元；(5)確定從貢獻(xiàn)單元給邊緣單元的插值方法；(6)對當(dāng)前時刻下飛行器的流場進(jìn)行解算，并根據(jù)解算結(jié)果進(jìn)行六自由度剛體運(yùn)動方程計算，確定飛行器中每個運(yùn)動物體的位移；(7)根據(jù)步驟(6)中確定的每個運(yùn)動物體的位移，移動每個運(yùn)動物體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的位置，得到飛行器下一時刻的分離狀態(tài)，將該分離狀態(tài)作為新的當(dāng)前時刻的分離狀態(tài)從步驟( 開始循環(huán)執(zhí)行，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的時刻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種飛行器多體分離模擬方法，其特征在于所述步驟(2) 中的構(gòu)造重疊網(wǎng)格的洞邊界步驟如下(2. 1)構(gòu)造每個非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格邊界面的交替數(shù)據(jù)樹ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，對每個獨立的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將它的邊界面插入到對應(yīng)的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；(2. 2)對每個網(wǎng)格單元，在其他非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的ADT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中查找是否有可能與之相交的壁面；如果有，則將該單元標(biāo)記為切割單元；(2. 3)在完成所有的切割單元判斷后，從位于物理邊界的單元開始，使用填充算法快速的標(biāo)定流場單元；(2. 4)流場單元與切割單元相接的面形成洞邊界。
全文摘要
一種飛行器多體分離模擬方法，(1)對組成飛行器的每個運(yùn)動物體分別獨立生成各自的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格；(2)按照飛行器當(dāng)前時刻對應(yīng)的分離狀態(tài)，對所有非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行重疊網(wǎng)格挖洞，屏蔽不參與流場計算的網(wǎng)格單元，并構(gòu)造重疊網(wǎng)格的洞邊界；(3)確定重疊網(wǎng)格的邊緣單元；(4)確定每個邊緣單元的貢獻(xiàn)單元；(5)確定從貢獻(xiàn)單元給邊緣單元的插值方法；(6)對當(dāng)前時刻下飛行器的流場進(jìn)行解算，并根據(jù)解算結(jié)果進(jìn)行六自由度剛體運(yùn)動方程計算，確定飛行器中每個運(yùn)動物體的位移；(7)移動每個運(yùn)動物體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的位置，得到飛行器下一時刻的分離狀態(tài)，從步驟(2)開始循環(huán)執(zhí)行，直至達(dá)到預(yù)先設(shè)定的時刻。
文檔編號B64F5/00GK102490909SQ201110381969
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月25日
發(fā)明者劉周, 周偉江, 龔安龍 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院