[发明专利]基于改进型FVM-LBFS方法的流场计算方法

说明书

本发明公开了基于改进型FVM‑LBFS方法的流场计算方法，属飞行器气动计算领域。该方法将传统有限体积方法与LBM方法相结合，采用有限体积法对宏观N‑S控制方程进行空间离散，利用一维可压缩格子Boltzmann模型的局部解重构单元界面的无粘通量，计算过程简单高效。改进型FVM‑LBFS方法将采用新提出的压力和温度同时控制的改进型开关控制函数实现了对现有LBFS方法中无粘通量数值粘性的精确控制，并引入网格单元长细比修正系数拓展非均匀网格适用范围。通过一系列的数值模拟算例验证与分析，改进型FVM‑LBFS方法在高超声速流动数值模拟中可以同时稳定捕捉复杂强激波流动和准确预测气动热参数。

技术领域

本发明的一种基于改进型FVM-LBFS方法的流场计算新方法，属飞行器气动计算领域。

背景技术

20世纪80年代后期，随着计算机技术的飞速发展，计算机运行速度的越来越快，从介观层次开展流体力学的数值模拟方法开始逐步兴起。其中典型代表之一的格子Boltzman方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)自1988年提出以来得到研究人员的广泛关注，在近20余年的时间内得到了飞速的发展。与基于连续性假设的N-S方程不同的是，格子Boltzman方法是一种介于流体微观分子动力学计算方法和宏观连续方程计算方法之间的介观尺度流体计算力学方法，因此与传统CFD方法相比，格子Boltzman方法不受连续介质假设的限制，可实现跨尺度流动模拟。

格子Boltzman方程是对Boltzman方程在速度空间、物理空间和时间上进行离散得到的，其描述了粒子以一定速度在下一个时间步内运动到相邻点的过程。格子Boltzmann方法的一个优势在于：它将传统方法求解非线性偏微分方程组(如Euler方程组、N-S方程组等)的困难，在模型建立时一次性完成，因而在数值模拟中只需要处理格子Boltzmann方程简单线性方程或方程组，与宏观方法相比，方程个数和形式得到大大简化。标准的格子Boltzmann方法的求解过程只包括简单的线性迁移过程和碰撞过程两个部分，仅需代数运算，无需求解压力泊松方程，因此程序实现起来也非常简单。鉴于格子Boltzmann方法具有许多独特的优势，其已经发展成为一种新的模拟复杂流动和物理现象的计算工具。因此，在许多研究领域，例如可压缩/不可压缩流动、高超声速流动、多相流动、多孔介质流动、化学反应流动、稀薄气体流动等，基于格子Boltzman模型的数值方法都得到了很好的应用，而且也揭示了许多复杂流动问题的物理作用机理。