[发明专利]基于重叠动网格的激波管膜片破裂过程的二维仿真方法

权利要求书

1.基于重叠动网格的激波管膜片破裂过程的二维仿真方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

步骤1：确定风洞试验所需的激波管尺寸，利用Pointwise网格生成软件，生成激波管的初始网格，网格为二维轴对称网格，网格包括不需要变形的激波管网格J_mesh和需要变形的膜片网格M_mesh，两套网格可以画在一个网格文件中，也可以分开为两个网格文件；为了减少计算量，对激波管网格J_mesh做如下处理：在膜片运动范围采用四边形网格Ⅰ，在膜片远端范围采用四边形网格Ⅱ，四边形网格Ⅰ的尺度小于四边形网格Ⅱ的尺度，两者之间的部分用三角形网格衔接；膜片网格M_mesh全部采用四边形网格；

步骤2：设置网格类型为Fluent类型，物理实际条件中，膜片的壁面边界与激波管的壁面边界存在交叉的情况，为避免网格破洞、出错，采取以下措施：在激波管网格J_mesh的壁面截取一段边界B₁，边界B₁的左端点坐标对应膜片网格M_mesh的左段管壁边界，边界B₁的右端点坐标对应膜片网格M_mesh的右段管壁边界，设置边界B₁的边界条件为交界面条件Interface，设置激波管网格J_mesh剩余的壁面边界和膜片网格M_mesh管壁边界的边界条件为速度入口条件Velocity Inlet，其余边界条件按照物理实际进行设置；

步骤3：在CFD仿真程序的流动模拟部分，将速度入口条件Velocity Inlet对应的执行体更改为壁面边界条件Wall的执行体，而在CFD仿真程序的网格变形处理部分，速度入口条件Velocity Inlet的执行体保持不变，以实现在仿真中，将膜片网格M_mesh管壁边界在网格变形时当作来流入口条件Inflow对待，而在流动模拟时当作壁面边界条件Wall对待的目的；

步骤4：定义初始时刻膜片的左右对称线为中脊线，定义膜片的中脊线的变形方式为圆弧弯曲式变形，中脊线的长度为L；当膜片产生最大弯曲时，从靠近激波管壁一侧开始，不变形部分的长度为a，圆弧弯曲变形部分的长度为b，保持直线形状牵连运动部分的长度为c，保持直线形状，但随着b部分的变形而被牵引移动，各部分长度满足关系a+b+c=L；

步骤5：设置膜片总共需要N_max次变形，膜片中脊线总共弯曲的弧度为θ_total，定义膜片中脊线的运动方式为：在前一半弧度的范围内即θ_total/2范围内，以匀角加速度β运动，在后一半弧度的范围内即θ_total/2范围内，以匀角速度ω运动；在仿真过程的每一个迭代步刚开始时，进行一次中脊线变形，θ_i为当前迭代步N_i时对应的弯曲弧度；

步骤6：膜片边界各点与膜片中脊线的垂直距离和角度在变形过程中保持不变，膜片边界之外的膜片网格变形采用径向基函数插值方法生成动网格，膜片网格与激波管网格采用重叠网格装配技术，将两套网格的重叠部分挖去，并保留交界面的部分网格，以此网格作为当前迭代步内的计算网格；

步骤7：当N_i≤N_max时，执行网格变形操作，当N_iN_max时，网格保持N_max迭代步时的网格不变；

步骤8：基于变形后的网格，在每一个迭代步进行一次流场求解；流场求解采用基于任意拉格朗日-欧拉体系的有限体积法求解二维轴对称Navier-Stokes方程，即流动控制方程，采用Roe格式对空间无粘项进行离散，采用耦合了LU-SGS隐式迭代法的双时间步方法进行时间推进，基于二维轴对称动网格积分形式的Navier-Stokes方程如下：

其中，S是包围控制体V的表面域，是S的单位外法向向量，是S的速度，Q是守恒变量构成的向量；是无粘通量，是粘性通量，通过满足几何守恒律的格式求得；为无粘部分在柱坐标系下的源项，为粘性部分在柱坐标系下的源项；取0或1，为0时对应非轴对称情况，为1时对应二维轴对称情况；

步骤9：重复执行步骤5~步骤8，直至CFD仿真满足停止条件；

步骤10：通过高超声速风洞试验验证CFD仿真结果，并进一步采用CFD仿真指导高超声速风洞试验。