[發明專利]一種用于數值模擬的非定常激波生成方法

有效

• 申請號: 201210595660.X
• 申請日: 2012-12-31
• 公開（公告）號: CN103106295B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 汪洪波;王振國;孫明波;吳海燕
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 國防專利服務中心11043
• 代理人: 錢立亞

技術領域

本發明涉及計算流體力學領域，具體涉及超聲速流動數值模擬的非定常激波生成方法。

背景技術

隨著計算機技術和計算流體力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)的發展，數值模擬在流體力學的研究中發揮出越來越重要的作用，并可以提供許多實驗難以獲取的信息。流體力學的一個重要分支是超聲速流動，此時不可避免地會出現激波，并經常伴隨著激波/邊界層干擾、激波/湍流渦干擾、激波/混合層相互作用、激波/火焰相互作用等復雜現象的出現，使問題變得異常復雜。經過多年的研究，目前對激波已經形成了一些初步認識。一方面，強激波往往伴隨著較大的阻力和流動損失，此時需要對其進行削弱和控制；另一方面，激波有增強混合及燃燒的作用，可以設法對其進行合理利用。然而，目前對涉及激波的這些復雜過程的理解還非常有限，對其中的很多機理性問題還缺乏清晰的認識，因此有必要進一步深入研究。數值模擬為研究這些涉及激波的復雜過程提供了一種有效的手段。此時一個關鍵的問題就是如何在數值模擬中生成我們想要的激波。另外，激波通常具有很強的非定常特性，為了使數值模擬更接近物理實際，常常需要生成非定常激波，即位置和強度隨時間變化的激波。

目前的數值研究針對非定常激波的處理方法大體可以分為三類。

第一種是自然激波生成方法。基于真實物理條件對流場進行模擬，并采用一些特定的數值方法捕捉流場中可能出現的激波或涉及激波的各種非定常過程。這是一種最常用的方法，它的優點是簡單方便，不需要太多的人為處理。

第二種是初始化激波生成方法。在流場初始化的時候給定一道激波，讓其自由掃過流場。Yang等(J.Yang，et al.Applications of Shock-Induced Mixing to Supersonic Combustion.AIAA Journal，31(5)：854-862，1993.)采用該方法研究了激波誘導渦流的過程。

第三種是可動障礙物激波生成方法。在超聲速流中的特定位置人為地設置一些障礙物，從而可獲得具有一定特征的激波，如Boles等通過在上壁面設置斜劈產生斜激波來研究激波/噴流羽流相互作用(J.A.Boles，et al.Hybrid LES/RANS Simulations of Shock-Distorted Injection Plumes.AIAA Paper 2012-0480，2012.)。在此基礎上引入動網格技術，從而可以模擬障礙物的運動過程并生成具有一定特征的非定常激波。

上述激波生成方法存在以下不足：

1、對于自然激波生成方法，激波行為不能控制，而且很難將激波及其影響從諸多復雜的因素中解耦出來，不適用于機理研究。

2、對于初始化激波生成方法，激波一旦生成，其行為亦不可控制，且只能研究激波一次掃過流場的過程，不能模擬激波與流場的持續、反復作用過程。

3、對于可動障礙物生成激波方法，動網格技術的引入會大大增加數值處理的困難，從而限制該方法在一些復雜流動中的應用。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，提供了一種用于數值模擬的非定常激波生成方法，利用該方法可生成便于控制的非定常激波，而且簡單易行。

本發明一種用于數值模擬的非定常激波生成方法，包括以下步驟：

步驟一、選擇數值模擬的流場一個邊界為激波邊界1；

步驟二、設定激波入射點11在激波邊界1上的坐標-x_s和激波角3-β；

采用如下方式描述：

x_s＝f(t)

β＝g(t)

其中t為時間，f(t)和g(t)為時間t的函數；

步驟三、設定激波前邊界12的參數條件；

激波前邊界12的參數條件為已知激波前氣流5的參數條件，即馬赫數為M₁，壓力為p₁，密度為ρ₁，溫度為T₁，流向速度為u₁，橫向速度v₁＝0；

步驟四、根據激波關系式確定激波后邊界13的參數條件，即馬赫數M₂，壓力為p₂，密度為ρ₂，溫度為T₂，流向速度為u₂，橫向速度v₂；

步驟五、在數值模擬中生成非定常激波。

所述步驟四的激波后邊界13的參數條件的計算公式為：