结构网格动网格技术用于非结构网格流场求解器的方法

技术领域

本发明涉及一种计算流体力学技术领域的方法，具体讲涉及一种结构网格动网格技术用 于非结构网格流场求解器的方法。

背景技术

计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics)是通过计算机数值计算和图象显示，对 包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。它可以看作是流动基本方程控 制下对流动的数值模拟，通过这种数值模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基 本物理量，以及这些物理量随时间的变化情况，并可以进行优化设计。采用CFD求解控制 方程时，都是想办法将控制方程在空间区域上进行离散，然后求解得到离散方程组。要想在 空间域上离散控制方程，必须使用网格，现在已经发展出多种对各种区域进行离散以生成网 格的方法，统称网格生成技术。

网格主要分为结构网格和非结构网格两大类，它们的区别在于节点位置能否用固定的法 则有序地命名。结构网格比非结构网格捕捉附面层流动方面更精确，尤其是在高雷诺数的情 况下。CFD流场求解器也可分为结构网格流场求解器和非结构网格求解器，但结构网格可以 输出为非结构网格形式用于非结构网格流场求解器。含边界运动的非定常流动问题在航空航 天领域普遍存在，如飞机机翼的静态变形、颤振、阵风响应等，这种情况下，需要运用动网 格技术来实现求解域的运动。

动网格技术可分为非结构网格动网格技术和结构网格动网格技术，非结构网格动网格技 术如弹簧法需要迭代计算，变形效率低，变形能力差，适用范围小，而结构网格动网格技术 如基于扰动衰减规律的弹性变形技术变形效率高，变形能力强，适用范围广，在工程中得到 了广泛使用；提高非结构网格求解器在处理边界运动问题时的效率和能力迫在眉睫。

为解决上述技术问题，本发明提供一种结构网格动网格技术用于非结构网格流场求解器 的方法。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种结构网格动网格技术用于非结构网格流 场求解器的方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种结构网格动网格技术用于非结构网格流场求解器的方法，所述方法包括以下步骤：

I、在合理拓扑结构设计基础上，生成初始外形结构网格；

II、根据所述初始外形结构网格，分别输出非结构网格形式文件和结构网格形式文件；

III、建立非结构网格点和结构网格点的对应关系，确定每个非结构网格点对应的结构网 格点序号；

IV、针对网格边界变形情况，运用结构网格动网格技术更新网格，根据对应关系得到新 的非结构网格用于非结构网格流场求解器计算。

优选地，所述步骤I中，采用代数法和椭圆形方程相结合的方法生成初始外形结构网格。

优选地，所述步骤III包括以下步骤：

S301、找出所述非结构网格形式文件中每个非结构网格点对应的所述结构网格形式文件 中结构网格点的序号(b,i,j,k)；

其中，b表示结构网格点所在的网格块号，i,j,k表示网格点在网格块三个方向的序号；

S302、判断所述非结构网格点和所述结构网格点的对应关系是否成功建立；若所述非结 构网格点和所述结构网格点坐标之差小于判断阈值，则认为建立对应关系成功；否则认为建 立失败。

优选地，所述非结构网格形式文件为UCD格式，所述结构网格形式文件为plot3d格式。

优选地，所述判断阈值为10^-6。

优选地，所述步骤IV中，通过基于扰动衰减规律的结构网格动网格技术更新网格，新的 网格点坐标表示如下：

其中，表示初始网格点坐标，表示静态网格点随物面边界作刚性运动的瞬态坐标值， g表示网格点序号的函数；

$g=\max ({\left(\frac{i-i_w}{i_f-i_w}\right)}^2,{\left(\frac{j-j_w}{j_f-j_w}\right)}^2,{\left(\frac{k-k_w}{k_f-k_w}\right)}^2);$

其中，i_w,j_w,k_w表示物面网格点序号，i_f,j_f,k_f表示相应的远边界网格点序号。

与最接近的现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

通过将高效鲁棒的结构网格动网格方法应用于非结构网格流场求解器，解决运用传统非 结构网格动网格技术存在的变形效率低、变形能力差的技术问题，提高了非结构网格流场求 解器在处理边界运动问题时的效率和能力。

附图说明

图1为本发明结构网格动网格技术用于非结构网格流场求解器的方法的流程图；

图2为本实施例中NACA0012翼型计算网格；

图3为本实施例中NACA0012翼型升力系数计算值和实验值的比较。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例 性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制, 其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他改变。实施例仅代表可能 的变化。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围 完整的传达给本领域的技术人员。本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术 语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自 动的限制该应用的范围为任何单个发明或者发明构思。

图1为本发明结构网格动网格技术用于非结构网格流场求解器的方法的流程图；

本发明提供的一种结构网格动网格技术用于非结构网格流场求解器的方法包括以下步 骤：

一、在合理的基础拓扑结构设计基础上，采用代数法与椭圆型方程优化相结合生成初始 外形结构网格；

二、根据所述初始外形结构网格，分别输出非结构网格形式文件和结构网格形式文件；

三、建立非结构网格点和结构网格点的对应关系，确定每个非结构网格点对应的结构网 格点序号；

四、针对网格边界变形情况，运用结构网格动网格技术更新网格，根据对应关系得到新 的非结构网格用于非结构网格流场求解器计算。

步骤一中，采用代数法和椭圆形方程相结合的方法生成初始外形结构网格。

步骤二中，非结构网格形式文件为UCD格式，结构网格形式文件为plot3d格式。

步骤三中，具体包括以下步骤：

S301、找出非结构网格形式文件中每个非结构网格点对应的结构网格形式文件中结构网 格点的序号(b,i,j,k)；

其中，b表示结构网格点所在的网格块号，i,j,k表示网格点在网格块三个方向的序号；

S302、判断所述非结构网格点和所述结构网格点的对应关系是否成功建立；若所述非结 构网格点和所述结构网格点坐标之差小于判断阈值，则认为建立对应关系成功；否则认为建 立失败。

判断阈值建议取值为10^-6。

步骤四中，通过基于扰动衰减规律的结构网格动网格技术更新网格，新的网格点坐标表 示如下：

其中，表示初始网格点坐标，表示静态网格点随物面边界作刚性运动的瞬态坐标值， g表示网格点序号的函数；

$g=\max ({\left(\frac{i-i_w}{i_f-i_w}\right)}^2,{\left(\frac{j-j_w}{j_f-j_w}\right)}^2,{\left(\frac{k-k_w}{k_f-k_w}\right)}^2);$

其中，i_w,j_w,k_w表示物面网格点序号，i_f,j_f,k_f表示相应的远边界网格点序号。

图2为本实施例中NACA0012翼型计算网格、图3为本实施例中NACA0012翼型升力 系数计算值和实验值的比较；结合附图2、3对本发明的技术方案做进一步的详细说明，方法 流程如图1所示：

以NACA0012翼型俯仰运动为例，本实施例中，提供的方法包括如下：

步骤一、网格拓扑结构设计为O型，采用代数法和椭圆形方程相结合的方法生成初始外 形结构网格，计算网格如图2所示，网格数为17712；

步骤二、将生成好的结构网格分别输出成非结构网格UCD文件和结构网格plot3d文件；

步骤三、建立非结构网格点和结构网格点的对应关系，找到UCD文件中每个非结构网格 点对应的plot3d文件中结构网格点序号(b,i,j,k)，其中，b表示结构网格点所在的网格 块号，i,j,k表示网格点在网格块三个方向的序号。

判断非结构网格点和结构网格点的对应关系是否成功建立，方法为判断坐标之差是否小 于一个小量；

若非结构网格点和结构网格点坐标之差小于10^-6，则认为建立对应关系成功；否则认为建 立失败。

步骤四、运动高效鲁棒的基于扰动衰减规律的结构网格动网格技术更新非结构网格，新 的非结构网格用于非定常计算。

本实施例中，取计算状态为马赫数0.755,α＝2.89°+2.41°sin2kt，其中，α是翼型迎角， t为时间，k为减缩频率取为0.0808。

图3给出了本实施例中方法计算得到的翼型升力系数和实验值的比较，二者吻合良好， 说明本发明方法是可行的。

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制, 尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域 技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但 这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。