[发明专利]冲击波求解的改进MUSL格式物质点法

说明书

本发明提出了一种冲击波求解的改进MUSL格式物质点法，首先改进传统MUSL格式中的动量修正步骤；然后建立冲击波流场模型，对冲击波流场进行离散化处理；再给定冲击波流场的初始条件与边界条件，设置计算总长；接着基于稳定性条件计算当前计算步的时间步长；基于冲击波求解的改进MUSL格式物质点法求解冲击波流场；最后对冲击波流场进行可视化处理。本发明提出的方法能避免欧拉法中对流项处理困难的问题和拉格朗日法中的网格畸变问题，相比于传统的MUSL格式，本发明可有效地减少物质点穿越网格时的噪声，对形函数的精度要求更低，鲁棒性和稳定性更强，计算效率更高，计算能耗更少，可为工程中冲击波的求解提供一种新方法。

技术领域

本发明属于冲击波流场求解方法技术领域，特别是一种冲击波求解的改进MUSL格式物质点法。

背景技术

冲击波是一种不连续的峰在流体介质中的传播，导致流场的压力、温度、密度等物理性质发生阶跃式变化。其在工程中广泛地存在，例如高速列车运行时形成列车冲击波、矿山爆破、防爆车辆等，可能造成人员的伤亡和设备的损坏。随着计算机技术的发展，CFD技术逐渐被应用于冲击波的仿真模拟，通过数值计算冲击波的传播过程，得到其对流场的扰动作用，进而可为其作用对象的气动载荷计算提供计算参数。此外，冲击波问题是CFD的经典算例之一，波前和波后流场的密度、压力等参数都呈现间断性，这些间断问题的求解一直是CFD发展的难点和核心问题。因此，探究一种新型的冲击波求解方法具有广泛的工程价值。

物质点法是一种混合了拉格朗日法和欧拉法的数值计算方法，已经被广泛地应用于固体结构中的高速冲击问题和爆炸问题求解。该方法用物质点来离散物体，相关物理参数均由物质点携带，背景网格仅用于积分动量方程和求解梯度，因而只需简单地生成覆盖计算域的结构网格即可。物质点法在一定程度上摆脱了网格的约束，避免了大变形造成的网格畸变问题，能很好地处理材料断裂失效、结构破碎等现象，并且不会造成质量损失，适用于求解极端工况。MUSL格式是一种带有动量修正的计算格式，物质点法中传统的MUSL格式中基于当前时间步的形函数将下一时间步的物质点动量映射到网格节点上，得到修正后的下一时刻网格节点动量，用修正后的网格节点动量和修正前的网格节点质量求出网格节点速度。由于此时物质点位置已发生改变，其形函数也应随之变化，然传统的MUSL格式未考虑该变化，当物质点穿越网格时，该修正方法就会产生较大误差，进而影响计算的精度甚至导致计算不收敛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种冲击波求解的改进MUSL格式物质点法，为实际工程中预测冲击波的影响提供方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种冲击波求解的改进MUSL格式物质点法，包括以下步骤：

步骤1、改进传统MUSL格式中的动量修正步骤：基于当前时间步的形函数将下一时间步的物质点动量映射到网格节点上，得到修正后的下一时刻网格节点动量，取消传统MUSL格式中的动量修正步，基于下一时间步的物质点位置计算形函数，同时将下一时间步的物质点质量和动量映射到网格节点上；

步骤2、建立冲击波流场模型，对冲击波流场进行离散化处理：划分背景网格并布设物质点；

步骤3、给定冲击波流场的初始条件与边界条件，设置计算总长；

步骤4、基于稳定性条件计算当前计算步的时间步长；

步骤5、基于冲击波求解的改进MUSL格式物质点法求解冲击波流场；

步骤6、对冲击波流场进行可视化处理：输出流场的密度、压力参数。

一种基于改进MUSL格式物质点法的冲击波求解系统，包括物质点动量修正模块、冲击波流场模型建立模块、计算总长设置模块、时间步长计算模块、冲击波流场计算模块、可视化处理模块；