[發明專利]基于歸一化物理量間斷特征的噴流模擬激波快速判別方法

有效

• 申請號: 202110305132.5
• 申請日: 2021-03-23
• 公開（公告）號: CN112699498B
• 公開（公告）日: 2021-05-25
• 發明（設計）人: 唐靜;周乃春;李彬;吳曉軍;周桂宇;陳江濤;劉露;龔小權;張健;付云峰;張耀冰;崔鵬程
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心計算空氣動力研究所
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/28;G06F30/23
• 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

本發明涉及計算流體力學領域，公開了一種基于歸一化物理量間斷特征的噴流模擬激波快速判別方法，該方法采用物理量周圍單元的平均物理量對網格單元物理量進行歸一化縮放，消除了噴流周圍物理量和流場物理量量級差異帶來的梯度計算誤差，通過間斷因子和激波判別指標的引入，建立了物理量間斷分布特征的量化表征，實現了含有噴流流場的激波判別。本發明提出的方法避免了傳統方法梯度求解，僅依賴局部相鄰區域的流場變量；該方法降低了激波判別算法的計算和存儲開銷，同時防止了噴流出口處大梯度區域的激波誤判，為噴流入射高速流動復雜流場提供了一種新的快速激波判別方法。

技術領域

本發明涉及計算流體力學領域，具體涉及一種基于歸一化物理量間斷特征的噴流模擬激波快速判別方法。

背景技術

激波是超聲速飛行器流動的典型物理特征，激波判別是計算流體力學流動顯示和算法設計等領域涉及的一項核心技術。當前普遍采用的激波判別方法是流場梯度方法，該方法除了要用到網格單元上的物理量分布之外，還需要基于幾何量計算物理量權值并采用較寬的模板對單元的梯度進行重構，由此帶來了基于流場梯度方法計算量大的缺點。除此之外，梯度的計算包含了物理量本身的差量和網格相鄰幾何曲率的影響，在網格相鄰幾何曲率較大（如駐點或前緣區域）的情況下也會得到較大的梯度而帶來激波的誤判。更嚴重的是，基于流場梯度的方法給包含噴流入射的流場計算帶來了很大的問題，因為噴流出口附近物理量相對于來流物理量基本上大了數百個量級，按照傳統梯度方法計算，在網格尺度基本一致的情況下，噴流出口附近也會計算得到較大的流場梯度，該梯度與激波處梯度數值比較相近，因此采用梯度的判別方法在數學原理上無法對二者進行區分，亟需尋找新的適用于包含噴流入射情況下流場的高效激波判別方法。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對上述存在的問題，提供了一種基于歸一化物理量間斷的噴流激波快速判別方法，該方法考慮到噴流附近區域物理量（壓力等）梯度較大是由于其物理量本身相對于來流的放大效應導致的，因此為了消除這種數值放大效應對噴流區域梯度計算的影響，從利用周圍物理量特征進行歸一化的思想出發，通過間斷因子的引入，實現了物理量間斷分布特征的量化表征，進而用于激波的判別。

本發明采用的技術方案如下：

步驟1：給定網格單元上的流場變量值為f，針對網格單元i和與其共面的相鄰網格單元j，利用網格單元i和其共面的相鄰網格單元j的物理量分布平均特征，對流場變量進行歸一化縮放：

進行縮放后的物理量分布變化在整個流場區域上不會因為絕對值的大小給間斷的計算帶來誤判。

然后通過歸一化后的物理量，計算網格單元的方向間斷因子：

通過方向間斷因子，來代替傳統的梯度求解。因為物理量經過歸一化后，物理量本身的變化就表征了流場中物理量的變化劇烈程度，因此可以省去梯度的求解，而直接采用間斷因子表征。

步驟2：遍歷網格單元i附近所有個和其共面的相鄰網格單元，將附近最大的方向間斷因子作為網格單元i的間斷因子：

。

步驟3：針對具體的計算構型，統計每一個網格單元的間斷因子，構成間斷因子集合；

在間斷因子集合中任意找出一個間斷因子，判斷該間斷因子對應的網格單元是否滿足以下要求：

既能標記出所關注的激波位置，又能避免噴流出口區域大梯度區的激波誤判；

若滿足要求，則將該間斷因子標定為臨界因子，若不滿足要求，則繼續重新尋找，直到找出一個滿足要求的間斷因子，并將其標定為臨界因子。