飞行器壁面应力张量抽样方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及空气动力学领域，特别是涉及一种飞行器壁面应力张量抽样方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

1、在85km以上高空，空气十分稀薄，连续介质假设不再成立。高超声速飞行器设计所需要的飞行器周围流场以及壁面处物理量分布等信息无法由一般的计算流体力学(computational fluid dynamics，cfd)方法提供，只能采用动理学数值方法来获取。直接模拟蒙特卡洛(direct simulation monte carlo，dsmc)方法是动理学方法中应用最为广泛的一种。当流动稀薄程度不高时，为了降低计算代价，通常采用纳维-斯托克斯(navier-stokes)方程加滑移边界条件的方法。但目前滑移模型只能对无滑移结果进行一定程度的改进，与动理学方法的结果还存在较大差异。进一步的分析表明，壁面处的压力可以分解为静压贡献项和粘性法向应力贡献项，而目前的滑移模型中对粘性法向应力项的考虑不足。

2、现有的dsmc方法是建立在概率统计的基础之上来实现对物理流动的模拟。宏观的物理信息需要通过对微观的模拟分子信息进行抽样统计而得到。在工程中，壁面压力通常计算为单位时间内通过单位壁面积的模拟分子的法向动量的通量。此压力与流场静压物理意义不同，数值也通常不同。这样的方式无法区分静压贡献项和粘性法向应力贡献项。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种飞行器壁面应力张量抽样方法、装置、设备及存储介质，可以实现对壁面处作用力的分解，用于滑移边界条件模型的研究。其具体方案如下：

2、一种飞行器壁面应力张量抽样方法，包括：

3、根据飞行器所处高空稀薄气体的流动情况生成计算网格；

4、在所述计算网格内随机分布模拟分子；模拟分子用于表征气体分子；

5、在每个迭代时间步内根据模拟分子的速度和时间步长信息进行模拟分子的直线运动；

6、若模拟分子的运动轨迹撞击到飞行器壁面，则对飞行器壁面应力张量进行抽样。

7、优选地，在本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，在所述对飞行器壁面应力张量进行抽样的过程中，包括：

8、对模拟分子速度各一阶项和各二阶项进行抽样；

9、计算模拟分子速度各二阶项的统计平均值；

10、根据飞行器壁面处的密度、模拟分子速度各一阶项以及各二阶项的统计平均值，确定飞行器壁面应力张量。

11、优选地，在本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，所述对模拟分子的速度各一阶项和各二阶项进行抽样，包括：

12、使用模拟分子法向速度的绝对值作为权重，对入射模拟分子速度一阶项、反射模拟分子速度一阶项、入射模拟分子速度二阶项、反射模拟分子速度二阶项进行抽样。

13、优选地，在本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，采用下述表达式对入射模拟分子速度一阶项进行抽样：

14、

15、采用下述表达式对反射模拟分子速度一阶项进行抽样：

16、

17、采用下述表达式对入射模拟分子速度二阶项进行抽样：

18、

19、采用下述表达式对反射模拟分子速度二阶项进行抽样：

20、

21、其中，ni为采样期间入射到壁面的模拟分子数目，nr为从壁面反射的模拟分子数目，wf为模拟分子权重因子，m为模拟分子质量，ui,vi,wi为入射模拟分子速度，ur,vr,wr为反射模拟分子速度，表示模拟分子入射速度的法向分量的绝对值，表示模拟分子反射速度的法向分量的绝对值。

22、优选地，在本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，采用下述公式计算模拟分子速度各二阶项的统计平均值：

23、

24、

25、

26、

27、

28、

29、其中，u、v、w是模拟分子速度。

30、优选地，在本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，在所述确定飞行器壁面应力张量之前，还包括：

31、通过飞行器壁面处法向应力和壁面法向动量通量的相等关系，确定飞行器壁面处的密度。

32、优选地，在本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，采用下述公式确定飞行器壁面应力张量：

33、

34、其中，p为飞行器壁面应力张量，ρ为密度，u0、v0、w0为宏观速度。

35、本发明实施例还提供了一种飞行器壁面应力张量抽样装置，包括：

36、网格生成模块，用于根据飞行器所处高空稀薄气体的流动情况生成计算网格；

37、分子布置模块，用于在所述计算网格内随机分布模拟分子；模拟分子用于表征气体分子；

38、分子控制模块，用于在每个迭代时间步内根据模拟分子的速度和时间步长信息进行模拟分子的直线运动；

39、张量抽样模块，用于若模拟分子的运动轨迹撞击到飞行器壁面，则对飞行器壁面应力张量进行抽样。

40、本发明实施例还提供了一种飞行器壁面应力张量抽样设备，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序时实现如本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法。

41、本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明实施例提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法。

42、从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种飞行器壁面应力张量抽样方法，包括：根据飞行器所处高空稀薄气体的流动情况生成计算网格；在计算网格内随机分布模拟分子；模拟分子用于表征气体分子；在每个迭代时间步内根据模拟分子的速度和时间步长信息进行模拟分子的直线运动；若模拟分子的运动轨迹撞击到飞行器壁面，则对飞行器壁面应力张量进行抽样。

43、本发明提供的上述飞行器壁面应力张量抽样方法中，在生成计算网格并随机分布模拟分子后，只考虑了撞击到飞行器壁面的模拟分子，而不是临近壁面的单元内的所有模拟分子，根据撞击到壁面的模拟分子进行飞行器壁面应力张量的抽样，在得到应力张量后，可以实现对壁面处作用力的分解，用于滑移边界条件模型的研究，进而实现高空稀薄环境下飞行器气动特性的快速预测。

44、此外，本发明还针对飞行器壁面应力张量抽样方法提供了相应的装置、设备及计算机可读存储介质，进一步使得上述方法更具有实用性，该装置、设备及计算机可读存储介质具有相应的优点。

技术特征：

1.一种飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，在所述对飞行器壁面应力张量进行抽样的过程中，包括：

3.根据权利要求2所述的飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，所述对模拟分子的速度各一阶项和各二阶项进行抽样，包括：

4.根据权利要求3所述的飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，采用下述表达式对入射模拟分子速度一阶项进行抽样：

5.根据权利要求4所述的飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，采用下述公式计算模拟分子速度各二阶项的统计平均值：

6.根据权利要求5所述的飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，在所述确定飞行器壁面应力张量之前，还包括：

7.根据权利要求6所述的飞行器壁面应力张量抽样方法，其特征在于，采用下述公式确定飞行器壁面应力张量：

8.一种飞行器壁面应力张量抽样装置，其特征在于，包括：

9.一种飞行器壁面应力张量抽样设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述处理器执行所述存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的飞行器壁面应力张量抽样方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的飞行器壁面应力张量抽样方法。

技术总结
本申请涉及空气动力学领域，公开了一种飞行器壁面应力张量抽样方法、装置、设备及存储介质，该方法包括：根据飞行器所处高空稀薄气体的流动情况生成计算网格；在计算网格内随机分布模拟分子；模拟分子用于表征气体分子；在每个迭代时间步内根据模拟分子的速度和时间步长信息进行模拟分子的直线运动；若模拟分子的运动轨迹撞击到飞行器壁面，则对飞行器壁面应力张量进行抽样。这样在得到应力张量后，可以实现对壁面处作用力的分解，用于滑移边界条件模型的研究，进而实现高空稀薄环境下飞行器气动特性的快速预测。

技术研发人员：李锦,江定武,王沛,王新光,万钊,黎昊旻,耿湘人,毛枚良,陈坚强
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13