一種基于尾渦流場(chǎng)傳遞的多飛行器飛行編隊(duì)數(shù)值模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及計(jì)算流體力學(xué)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種在多塊網(wǎng)格中基于尾滿流場(chǎng)傳遞的 多飛行器飛行編隊(duì)數(shù)值模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛行編隊(duì)是自然界中普遍存在的一種飛行方式。國(guó)外研究表明，鳥(niǎo)類采用編隊(duì)飛 行的方式能夠節(jié)省11% -14%的能量，同時(shí)能夠比單獨(dú)時(shí)飛行更遠(yuǎn)的距離。與鳥(niǎo)類飛行情 況類似，飛機(jī)飛行過(guò)程中在翼尖處也會(huì)出現(xiàn)一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的尾滿，對(duì)后方一定區(qū)域內(nèi)的氣 流形成上洗，合理利用運(yùn)一上洗效應(yīng)，可有效降低后方飛行器誘導(dǎo)阻力，從而達(dá)到較高的飛 行效率。因此飛行編隊(duì)在大飛機(jī)減阻、提高載重與續(xù)航能力等方面均具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 對(duì)飛機(jī)尾滿的形成、發(fā)展、消散機(jī)理需要進(jìn)行詳細(xì)的研究，進(jìn)而對(duì)編隊(duì)參數(shù)進(jìn)行合 理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是避免尾滿危害的同時(shí)、安全利用前機(jī)的尾滿的前提條件。借助CFD技術(shù)， 可W定量衡量尾滿對(duì)后方飛行器氣動(dòng)特性的影響，定性分析尾滿的運(yùn)動(dòng)、延遲、多滿系相互 誘導(dǎo)的不穩(wěn)定性等復(fù)雜現(xiàn)象。與試驗(yàn)測(cè)試相比，C抑結(jié)果可W生動(dòng)直觀的查看尾滿發(fā)展與 干擾的狀態(tài)，分析流動(dòng)現(xiàn)象，檢驗(yàn)理論預(yù)測(cè)結(jié)果。W美國(guó)為首的西方國(guó)家對(duì)飛行器尾滿及編 隊(duì)飛行性能的預(yù)測(cè)都是WCFD準(zhǔn)確模擬為先決條件的。
[0004] 但多飛行器編隊(duì)飛行計(jì)算網(wǎng)格量大，為保證粘性效應(yīng)的準(zhǔn)確計(jì)算，飛行器表面需 要生成致密的附面層網(wǎng)格；尾滿發(fā)展及其與后方飛行器相互作用同樣要求網(wǎng)格十分致密， W常規(guī)構(gòu)型運(yùn)輸機(jī)為例，為保證計(jì)算精度，前后兩飛行器編隊(duì)需要的網(wǎng)格量在千萬(wàn)量級(jí)W 上，若需要深入分析尾滿對(duì)后方飛行器穩(wěn)定性影響，計(jì)算網(wǎng)格量更大。因此，在滿足計(jì)算精 度的同時(shí)，如何降低對(duì)計(jì)算資源的需求和提高計(jì)算效率是編隊(duì)飛行數(shù)值模擬的關(guān)鍵。
[0005] 0NERA/DLR開(kāi)展的飛機(jī)尾滿研究結(jié)果表明，飛機(jī)尾滿產(chǎn)生、發(fā)展及消散的過(guò)程可劃 分為四個(gè)顯著階段，分別為近場(chǎng)尾滿區(qū)、近場(chǎng)尾滿延伸區(qū)、中場(chǎng)尾滿區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)耗散區(qū)。其中， 近場(chǎng)尾滿區(qū)一般在10倍機(jī)翼展長(zhǎng)范圍內(nèi)，該區(qū)域?qū)恿鳜F(xiàn)象明顯，尾流存在時(shí)間長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)速 度穩(wěn)定，對(duì)尾隨其后的飛機(jī)影響最大，飛行編隊(duì)尾滿影響研究主要在該范圍內(nèi)進(jìn)行。同時(shí)， 在該距離下，后機(jī)對(duì)前機(jī)的影響變得可W忽略，利用運(yùn)一解禪特性，可W將編隊(duì)飛行問(wèn)題劃 分為=個(gè)子問(wèn)題：
[0006] 1)在自由流中模擬前飛行器；
[0007] 2)計(jì)算前飛行器的尾跡與滿傳播特性；
[0008] 3)在來(lái)流邊界條件下模擬后飛行器在已知尾跡和滿下的流場(chǎng)。
[0009] 根據(jù)運(yùn)一思路，采用分區(qū)域計(jì)算方法，可W減小計(jì)算網(wǎng)格量；同時(shí)，針對(duì)不同的計(jì) 算對(duì)象設(shè)置不同的邊界條件和端流模型，進(jìn)而發(fā)展一種創(chuàng)新的基于尾滿傳遞的編隊(duì)飛行計(jì) 算方法，為最優(yōu)飛行編隊(duì)參數(shù)設(shè)置計(jì)算提供技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種基于尾滿流場(chǎng)傳遞的多飛行器 飛行編隊(duì)數(shù)值模擬方法，為飛行器編隊(duì)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)支持。
[0011] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種基于尾滿流場(chǎng)傳遞的多飛行器 飛行編隊(duì)數(shù)值模擬方法，包括如下步驟：
[0012] 第一步、根據(jù)飛行器模型表面外形數(shù)學(xué)模型分別生成前機(jī)、后機(jī)計(jì)算網(wǎng)格，所述前 機(jī)、后機(jī)計(jì)算網(wǎng)格均包含拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的過(guò)渡塊網(wǎng)格；
[0013] 第二步、在自由邊界狀態(tài)下求解前機(jī)流場(chǎng)數(shù)據(jù)；
[0014] 第=步、在前機(jī)流場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算收斂后導(dǎo)出前機(jī)過(guò)渡塊網(wǎng)格尾滿流場(chǎng)數(shù)據(jù)；
[0015] 第四步、將導(dǎo)出的前機(jī)過(guò)渡塊網(wǎng)格尾滿流場(chǎng)數(shù)據(jù)讀入后機(jī)的過(guò)渡塊網(wǎng)格中；
[0016] 第五步、W讀入的過(guò)渡塊網(wǎng)格數(shù)據(jù)為邊界條件，計(jì)算后機(jī)流場(chǎng)數(shù)據(jù)。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：
[0018] 常規(guī)數(shù)值模擬通常針對(duì)單飛行器構(gòu)造網(wǎng)格，過(guò)程中對(duì)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行迭代計(jì)算， 直至所有計(jì)算點(diǎn)均滿足收斂條件。但對(duì)于多飛行器數(shù)值模擬，尤其考慮氣流粘性、波系干 擾、滿產(chǎn)生、發(fā)展及耗散等復(fù)雜氣動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，計(jì)算網(wǎng)格量急劇增加，常規(guī)工控機(jī)、服務(wù)器等無(wú) 法提供足夠資源進(jìn)行計(jì)算，而專用計(jì)算工作站成本很高，開(kāi)展大規(guī)模計(jì)算不切實(shí)際，同時(shí)也 影響計(jì)算效率。發(fā)展可操作性強(qiáng)、計(jì)算資源消耗低的新計(jì)算方法是提高類似飛行編隊(duì)問(wèn)題 的數(shù)值模擬效率的有效手段。本發(fā)明采用基于尾滿傳遞方法設(shè)置多塊網(wǎng)格邊界條件，W自 由邊界條件下計(jì)算得到的尾滿流場(chǎng)作為后部計(jì)算網(wǎng)格的邊界條件，進(jìn)而將模擬對(duì)象分為= 個(gè)子問(wèn)題，針對(duì)不同對(duì)象搭建不同疏密程度的計(jì)算網(wǎng)格和端流模型，在保證模擬精度的同 時(shí)降低計(jì)算資源的消耗。
[0019] 采用該方法可W將飛行編隊(duì)尾滿/機(jī)體干擾的復(fù)雜氣動(dòng)問(wèn)題劃分為計(jì)算前機(jī)模 型尾滿流場(chǎng)和尾滿/后機(jī)模型氣動(dòng)特性影響的兩個(gè)問(wèn)題分開(kāi)考慮，采用數(shù)量較少的計(jì)算網(wǎng) 格進(jìn)行數(shù)值模擬。同時(shí)前機(jī)模型擾流場(chǎng)結(jié)果可用于后機(jī)處于不同展向/流向位置，W及不 同飛行姿態(tài)計(jì)算，避免了常規(guī)計(jì)算中前機(jī)模型的多次計(jì)算。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中：
[0021] 圖1為本發(fā)明方法的流程圖；
[0022] 圖2為飛行編隊(duì)前、后機(jī)位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023] 一種基于尾滿流場(chǎng)傳遞的多飛行器飛行編隊(duì)數(shù)值模擬方法，如圖1所示，包括如 下步驟：
[0024] 第一步、根據(jù)飛行器模型表面外形數(shù)學(xué)模型分別生成前機(jī)、后機(jī)計(jì)算網(wǎng)格：
[0025] 網(wǎng)格要求貼體、正交的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并在飛行器表面生成附面層網(wǎng)格。為便于后機(jī)計(jì) 算網(wǎng)格添加前機(jī)尾滿流場(chǎng)數(shù)據(jù)，前機(jī)、后機(jī)計(jì)算網(wǎng)格均包含拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同的過(guò)渡塊網(wǎng)格，即 前、后機(jī)獨(dú)立網(wǎng)格中人為劃分的、拓?fù)潢P(guān)系和節(jié)點(diǎn)分布完全一致的網(wǎng)格區(qū)域，是空間網(wǎng)格的 一部分，用于前機(jī)尾滿流場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出和后機(jī)入口邊界條件讀入。附面層網(wǎng)格與空間網(wǎng)格一 起組成計(jì)算網(wǎng)格。
[0026] 尾滿區(qū)域粘性效應(yīng)起主導(dǎo)作用，滿生成、發(fā)展、干擾、耗散等復(fù)雜氣動(dòng)現(xiàn)象與介質(zhì) 粘性密切相關(guān)，因此，為提高尾滿模擬精度，需要采用較密的網(wǎng)格分布。過(guò)渡網(wǎng)格區(qū)是傳遞 尾滿數(shù)據(jù)的重要區(qū)域，所W運(yùn)部分網(wǎng)格需要單獨(dú)進(jìn)行加密處理。
[0027] 第二步、在自由邊界狀態(tài)下求解前機(jī)流場(chǎng)數(shù)據(jù)：
[0028] 計(jì)算網(wǎng)格生成后即開(kāi)始進(jìn)行前機(jī)自由邊界流場(chǎng)的計(jì)算，主要目的是獲得前機(jī)尾滿 流場(chǎng)信息，為后機(jī)計(jì)算提供入口邊界條件。
[0029] 單獨(dú)前機(jī)計(jì)算需采用基于NS方程的流場(chǎng)解算器，對(duì)于=維端流流動(dòng)，主控方程為 雷諾平均NS方程（RANS)，無(wú)量綱形式為：
[0030]
。）
[00引]式中，V為雅可比倒數(shù)；riv為粘性開(kāi)關(guān)參數(shù)，對(duì)于NS方程，nv= 1 ;Q為守恒變量， 驗(yàn)I、葛為無(wú)粘對(duì)流通量，發(fā)、鬆、C為粘性擴(kuò)散通量。無(wú)量綱化時(shí)所引入的參數(shù)分 別為密度P，速度，壓力和能量換，溫度丫（丫 -1) ，長(zhǎng)度L，時(shí)間L/Vw，粘性 系數(shù)采用隱式離散與時(shí)間推進(jìn)算法進(jìn)行計(jì)算求解。
[0032] 計(jì)算求解所需邊界條件包括粘性物面無(wú)滑移條件和遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)條件。物面無(wú)滑移 邊界條件形式為：
[0033]
[0034] 遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)擾動(dòng)條件即計(jì)算網(wǎng)格外邊界所給定的邊界條件，包括入口邊界條件、出口 邊界條件。其形式如下：
[0035]
[0036] 式中，V。和a由黎曼不變量￥急訓(xùn)用定，下標(biāo)e表示計(jì)算網(wǎng)格邊界處的流場(chǎng)參 數(shù)值。
[0037] 流場(chǎng)計(jì)算中端流計(jì)算采用兩方程的k-?程的中端流端流模型，該模型是Menter 在Wilcox提出的基本k-e的端流模型的基礎(chǔ)上，充分利用了k-e模端流模型對(duì)逆壓梯 度比較敏感的特點(diǎn)而提出的，它能夠模擬較大分離的流動(dòng)；在遠(yuǎn)離附面層的流場(chǎng)中，采用 k-?模端流模型，克服k-e模型對(duì)自由來(lái)流條件比較敏感的缺陷，提高模型的穩(wěn)定性。無(wú) 量綱化的形式為：
[0038]
[0041] 式中各參數(shù)值為：〇k=2. 0, 0 " = 1.4，Cki= 1.0，Ck2=〇. 〇9，C…1= 0. 555，C…2
[0042] = 0. 83,C"= 0. 09。
[0043] 第=步、導(dǎo)出前機(jī)過(guò)渡塊網(wǎng)格尾滿流場(chǎng)數(shù)據(jù)：
[0044] 前機(jī)單機(jī)自由流場(chǎng)計(jì)算收斂后，需要將前機(jī)計(jì)算網(wǎng)格中過(guò)渡塊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)流場(chǎng)數(shù)據(jù) 導(dǎo)出，作為后機(jī)計(jì)算的入口條件。導(dǎo)出的流場(chǎng)信息包含了前機(jī)尾滿區(qū)域的主要流場(chǎng)特征，在 忽略后機(jī)對(duì)前機(jī)擾動(dòng)前傳影響的前提下，與整體計(jì)算編隊(duì)飛行時(shí)相同區(qū)域流場(chǎng)特征完全一 致。采用導(dǎo)出過(guò)渡塊網(wǎng)格數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是可W單獨(dú)計(jì)算后機(jī)網(wǎng)格，減少計(jì)算網(wǎng)格總量，提高計(jì) 算效率，尤其對(duì)于多飛行器編隊(duì)飛行、W及前機(jī)多飛行姿態(tài)數(shù)值模擬，可W將整體網(wǎng)格劃分 為若干個(gè)包含過(guò)渡塊的獨(dú)立單機(jī)計(jì)算網(wǎng)格，通過(guò)過(guò)渡塊數(shù)據(jù)傳遞依次計(jì)算。
[0045] 過(guò)渡網(wǎng)格尾滿流場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的主要步驟是：1)按計(jì)算網(wǎng)格拓?fù)漤樞驅(qū)С隽鲌?chǎng)數(shù) 據(jù)文件；2)相同順序?qū)С龆肆髂Ｐ陀?jì)算數(shù)據(jù)；3)人為配置控制文件。
[0046] 為便于后機(jī)計(jì)算時(shí)讀入數(shù)據(jù)，本專利對(duì)導(dǎo)出的各數(shù)據(jù)文件規(guī)定指定格式，均采用 二進(jìn)制格式文件。其中，流場(chǎng)數(shù)據(jù)采用二維數(shù)組QA化巧，噸t)記錄，噸t為網(wǎng)格所有節(jié)點(diǎn)總 數(shù)。文件寫(xiě)入信息順序?yàn)椋?br>[0047]
[0048] W上代碼中，numite為總迭代計(jì)算步數(shù)；nblocks為計(jì)算網(wǎng)格總塊數(shù)；m= 1， 2,…，5為流