一种通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法

本发明涉及转捩预测，具体涉及一种通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法。

背景技术：

1、层流到湍流的转捩是一个极其复杂的过程，目前国内外没有一个严格意义上通用的数值模拟预测方法来准确的预测航空飞机领域的转捩现象。但随着 cfd 技术的发展具备工程精度的模型得到了发展，可在层流飞机的设计中使用。国际上针对转捩现象发展了不同类型的转捩预测方法，其中包含揭示边界层转捩机制的最顶层计算流体力学方法，dns/les，也包括基于目前工程上广泛使用的rans高可信度数值模拟方法发展的不同转捩模式。目前国际上采用 dns/les手段揭示转捩机制，但由于dns/les方法对网格量需求较高，受制于计算资源和时间效率，目前该类方法仅用于简单构型、低雷诺数等问题的基础研究。

2、考虑到计算精度和效率，工程设计中，目前国内外广泛使用的是基于 rans方程的数值模拟方法。在设计中，将基于 rans 方程的方法称为高可信度数值模拟。但现有的rans方程所应用的理论耦合过程较为复杂，转捩精度较低，且不适用于工程转捩预测。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，以提高转捩预测精度，且普遍适用于工程转捩预测。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、本发明提供一种通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法包括：

4、s1：针对给定工程构型，生成网格、初始固定转捩位置和飞行工况；

5、s2：根据网格、初始固定转捩位置和飞行工况，求解rans方程，得到流场解；

6、s3：提取所述流场解中的截面压力分布数据；

7、s4：根据截面压力分布数据和飞行工况求解笛卡尔坐标系下层流边界方程，得到边界层信息；

8、s5：根据边界层信息，求解线性稳定性理论方程，结合 en方法，获得预测转捩位置；

9、s6：根据所述预测转捩位置和当前固定转捩位置确定转捩残差；

10、s7：判断转捩残差是否收敛，若是，进入s8；否则，进入s9；

11、s8：将预测转捩位置输入到rans求解器中，得到转捩流场，并将所述预测转捩位置和所述转捩流场作为转捩预测结果输出；

12、s9：根据所述预测转捩位置和间歇因子方程，利用rans求解器，得到固定转捩流场；

13、s10：将所述固定转捩流场作为所述流场解并返回步骤s3。

14、可选择地，s1中，通过cfd仿真软件/icem/pointwise生成网格和飞行工况。

15、可选择地，s2中，飞行工况包括飞行攻角、马赫数、飞行高度和气动力系数。

16、可选择地，s5包括：

17、s51：利用线性稳定性lst分析/aft-c1准则对边界层信息进行稳定性分析，得到空间扰动放大率；

18、s52：根据空间扰动放大率，利用 en方法，得到预测转捩位置。

19、可选择地，s51中，空间扰动放大率为：

20、

21、其中，表示扰动频率的虚部，表示扰动频率的实部，表示流向的扰动波数，表示展向的扰动波数。

22、可选择地，s52包括：

23、根据空间扰动放大率和流向扰动增长率，确定流向扰动放大因子；

24、若流向扰动放大因子到达阈值，则根据流向扰动放大因子，确定预测转捩位置；

25、所述预测转捩位置通过以下公式计算得到：

26、

27、其中，表示临界n因子，和是网格的左右两侧坐标，和分别是对应的放大因子值。

28、可选择地，所述s6中，所述转捩残差为：

29、

30、其中，表示固定转捩位置，表示转捩预测得到的转捩位置及其对应的转捩长度组成的向量且，为层流边界层的分离点，代表边界层积分信息或者边界层速度型，且作为线性稳定性方程的输入，表示转捩判定准则输入是边界层信息，输出是转捩位置和转捩长度。

31、可选择地，所述s6中，所述当前固定转捩位置通过以下方式计算得到：

32、

33、其中，表示第 k次迭代的固定转捩位置，表示第 k-1次迭代的转捩位置，表示松弛因子，表示第 k-1次迭代时转捩预测得到的转捩位置及其对应的转捩长度组成的向量。

34、可选择地，所述s9包括：

35、s91：对于截面内任意一线性插值，根据所述预测转捩位置确定线性插值的转捩长度和转捩位置；

36、s92：根据所述转捩长度和转捩位置，利用间歇因子方程，得到截面所有表面网格点的间歇因子值；

37、s93：根据所有表面网格点的间歇因子值定义空间的间歇因子；

38、s94：将所述空间的间歇因子代入所述rans求解器中，得到固定转捩流场。

39、可选择地，s9中，间歇因子方程为：

40、

41、其中，表示间歇因子，表示预测转捩位置，表示转捩区长度，由局部的雷诺数和流向坐标决定且，表示流向坐标，表示雷诺数。

42、本发明具有以下有益效果：

43、本发明利用rans 方程耦合 en方法进行转捩预测，能够提高转捩预测的精度，且本发明普遍适用于工程构件。

技术特征：

1.一种通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法包括：

2.根据权利要求1所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，s1中，通过cfd仿真软件/icem/pointwise生成网格和飞行工况。

3.根据权利要求1所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，s2中，飞行工况包括飞行攻角、马赫数、飞行高度和气动力系数。

4.根据权利要求1所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，s5包括：

5.根据权利要求4所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，s51中，空间扰动放大率为：

6.根据权利要求4所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，s52包括：

7.根据权利要求1所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，所述s6中，所述转捩残差为：

8.根据权利要求1所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，所述s6中，所述当前固定转捩位置通过以下方式计算得到：

9.根据权利要求1所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，所述s9包括：

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，其特征在于，s9中，间歇因子方程为：

技术总结
本发明公开了一种通用化的基于线性稳定性理论的工程转捩预测方法，属于转捩预测领域，为了提高转捩预测精度，包括：根据给定工程构型生成的网格、初始固定转捩位置和飞行工况，求解RANS方程，得到流场解；提取流场解中的截面压力分布数据；根据该数据和飞行工况求解层流边界方程，得到边界层信息；根据边界层信息，求解线性稳定性理论方程，结合e<supgt;N</supgt;方法，获得预测转捩位置；根据预测转捩位置和当前固定转捩位置确定转捩残差；判断转捩残差是否收敛，若是，将预测转捩位置输入到RANS求解器中，得到转捩流场；否则，根据预测转捩位置和间歇因子方程，利用RANS求解器，得到固定转捩流场；将固定转捩流场作为流场解并返回。

技术研发人员：史亚云,杨体浩,陈艺夫,兰夏毓
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13