[發明專利]一種考慮激波和邊界層的網格生成方法

有效

• 申請號: 202011215807.9
• 申請日: 2020-11-04
• 公開（公告）號: CN112464583B
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 萬兵兵;李曉虎;陳堅強;袁先旭;涂國華;段茂昌
• 申請（專利權）人: 空氣動力學國家重點實驗室
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 孫杰

本發明公開了一種考慮激波和邊界層的網格生成方法。本發明通過初始流場捕捉激波位置，然后通過插值光滑獲得激波面上的網格，保證激波與流向網格平行，同時在垂直表面方向上通過分段函數針對性布置激波和邊界層區域的網格，從而生成能夠用于開展擾動過激波的感受性過程研究的計算網格。

技術領域

本發明涉及網格生成技術領域，具體涉及一種考慮激波和邊界層的網格生成方法。

背景技術

當空氣高速掠過物體或者物體在自然界高速移動時，物體前緣附近會受到強烈壓縮而形成沖擊波，稱為激波。激波后的氣體繼續流動吹向物體表面，因粘性作用氣體附著在物體表面而形成附著薄層，稱為邊界層。理想情況下，邊界層流動呈有規律的層流狀態。但在外界干擾下，如空氣中引入小擾動，層流逐漸轉變為“雜亂無章”的湍流狀態，這個過程稱為轉捩。轉捩的發生一般由邊界層內擾動失穩導致的，而邊界層擾動可由自然空氣中的擾動激發產生，這個過程稱為感受性。空氣中擾動激發邊界層內擾動的感受性過程的關鍵階段是擾動經過激波和激波后擾動進入邊界層這兩個階段，因此如何在激波和邊界層區域內安排網格分布，是通過CFD仿真計算方法準確模擬感受性的關鍵所在。

目前用于CFD計算的網格生成方法主要來自商業軟件，如ICEM CFD、Griden、Pointwise、Gambit等，另外還有流體界學者根據自身研究需求編制的典型外形的網格生成技術。但是它們大多是通用技術，并不是專門針對感受性數值模擬研究的網格生成技術。其技術以及生成的網格存在以下不足：

(1)激波與網格不能保證平行。商業軟件不能就已有的流場捕捉激波位置，從而不能根據激波位置布置與激波平行的網格，使得激波與網格相互交叉，在數值計算中容易因網格帶來的數值擾動，不利于感受性問題研究。

(2)不能有效布置激波區域的網格。激波區域的網格一方面要平行于激波，另一方面在垂直于激波的網格分布上一階導數和二階導數要連續且保證網格數量足夠密。這樣的安排是為了保證擾動過激波時不會因網格不連續而出現擾動間斷，或者因網格稀疏而擾動耗散衰減，導致不能準確捕捉激波后的擾動信息。但是現有網格生成技術還做不到這樣的效果。

(3)不能保證邊界層內在垂直表面方向上的網格數量。邊界層內網格數量至少有100個點時才能保證邊界層內流場及擾動的信息準確性。一般網格分布在垂直表面方向上從物體表面到上邊界呈單一的指數分布，這樣的后果是不能保證激波區域的網格數量。而且在貼近物體表面的網格數量要么過稀不能有效捕捉邊界層信息，要么過密導致網格尺度過小而影響CFD計算效率。另外，如果分塊單獨安排邊界層區域的網格，則不能保證邊界層內外之間的網格連續性，同樣不利于感受性CFD計算。

發明內容

針對現有技術中的上述不足，本發明提供的一種考慮激波和邊界層的網格生成方法解決了激波與網格不能保證平行、不能有效布置激波區域的網格以及不能保證邊界層內在垂直表面方向上的網格數量的問題。

為了達到上述發明目的，本發明采用的技術方案為：一種考慮激波和邊界層的網格生成方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、利用商業軟件畫出鈍錐的初始三維計算網格，并利用CFD軟件在初始三維計算網格上模擬計算得到初始基本流場；

S2、根據當地馬赫數的大小判斷激波位置，當當地馬赫數小于0.99倍的來流馬赫數時，利用初始三維計算網格和初始基本流場識別激波位置，對激波位置在空間進行光滑處理，獲得光滑連續的激波曲面；

S3、預估邊界層的厚度，在邊界層以及激波附近區域加密網格，將垂直表面方向的網格分為5段，得到五段組成的網格分布函數y(j)；

所述垂直表面方向的網格包括第一段網格、第二段網格、第三段網格、第四段網格和第五段網格；

S4、以激波位置為基準，將垂直表面方向的分布函數y(j)映射到具體每個流向和周向的位置，并通過空間插值方法從初始三維計算網格插值獲得考慮激波進和邊界層的網格。