[發明專利]基于雙控制體的格心網格數據三維激波特征定位方法

有效

• 申請號: 201310375954.6
• 申請日: 2013-08-26
• 公開（公告）號: CN103413060A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 蔡勛;馬千里;王文珂;曾亮;李思昆;沈恩亞;王攀;王文濤
• 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: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發明涉及三維激波特征定位方法，尤其是基于雙控制體的格心網格數據三維激波特征定位方法。

背景技術

在計算流體力學領域，有限體積法（Finite?Volume?Method，FVM）具有明確的物理含義，且計算效率高，是近年來發展十分迅速且廣泛應用的數值計算方法。FVM常將數值解存儲在網格單元中心，將單元看成是圍繞中心的控制體，產生格心格式網格數據。

激波是一種十分重要的流動間斷現象，其位置和強度對飛行器設計至關重要，只有成功定位激波特征區域，才能設計出安全性能滿足要求的飛行器。激波是由于超音速氣流遇到障礙物時產生的，在實際流場中，激波是非理想氣流中厚度極薄（10^-5mm量級）的三維曲面。

目前已有的三維激波特征定位方法（如邊緣檢測法、梯度閾值法、蘭金-于戈尼奧條件法、梯度方向法、兩級采樣法等）只適用于格點網格數據，無法直接定位格心網格流場數據中的激波特征。對于格心網格數據，采用現有的三維激波特征定位方法需要將其外推為格點網格數據，損失了數據精度。由于激波區域極薄，外推計算是一種平均運算，可能會抹平原始數據場中的間斷和尖峰，使外推后的格點數據值域是原始格心數據的真子集，又由于激波特征區域通常極薄，這種外推的平均操作往往會抹平激波區域，使得格心網格數據的三維激波特征定位準確性較差。兩級采樣法（馬千里;李思昆;曾亮.基于兩級采樣的非結構化網格流場多激波特征可視化方法.計算機研究與發展.2012,49(7):1450-1459.）是目前最佳的激波定位方法，該方法具體步驟如下。

步驟1：利用體積加權外推法或反轉距離外推法將格心網格數據轉化為格點網格數據；

步驟2：對格點網格數據進行采樣，得到的采樣點叫做一級采樣點，基于網格頂點壓力值確定一級采樣點處的壓力梯度，根據壓力梯度確定一級采樣點處的正則馬赫數；

步驟3：根據正則馬赫數對一級采樣點進行初步篩選：滿足正則馬赫數大于等于1的采樣點作為備選激波點（所述激波點指位于激波特征區域內的采樣點）；

步驟4：通過二級采樣點判斷步驟3得到的備選激波點是否為真實激波點；

步驟4.1：確定備選激波點處的切平面及切平面法線，該法線及其反向延長線與一系列網格單元相交，產生一系列交點，選取在備選激波點兩側的兩個交點（所述交點即二級采樣點）；

步驟4.2：確定兩個二級采樣點處的速度；

步驟4.3：計算步驟4.2兩個二級采樣點處速度在切平面上的投影速度的大小；

步驟4.4：如果兩個投影速度大小相同，則該備選激波點為真實激波點，否則為偽激波點（噪聲）。

該方法得到一系列激波點，這些激波點組成的區域就是激波特征區域。

對于格點網格數據，兩級采樣法可以比較準確地定位激波特征。但是對于格心網格數據，兩級采樣法需要將格心網格數據外推為格點網格數據，然后進行激波定位。外推計算可能會抹平激波區域，導致格心網格數據的激波特征定位準確性較差，從而使得設計出的飛行器存在安全隱患。

技術方案

本發明要解決的技術問題是：針對流場數值模擬產生的格心網格數據，在兩級采樣法的基礎上，提供一種基于雙控制體的三維激波特征定位方法，提高三維激波定位的精度，解決格心網格三維流場數據的激波特征不能精確定位的問題。

本發明技術方案是：為實現基于格心網格數據的激波定位，首先直接基于計算流體力學模擬仿真得到的格心網格數據計算各網格單元內的壓力梯度，然后采用一種基于雙控制體的采樣點正則馬赫數計算方法得到采樣點的正則馬赫數，根據正則馬赫數的值得到備選激波點；然后采用“兩級采樣法”對備選激波點進行過濾，得到真實激波點，這些激波點組成的區域就是激波特征區域。

具體技術方案為：