基于高效动网格技术的飞行器性能优化方法、装置及设备

本技术涉及计算流体力学，特别是涉及一种基于高效动网格技术的飞行器性能优化方法、装置及设备。

背景技术：

1、当前发展高超声速飞行器对于在未来军事对抗中具有重要战略/战术价值，已经越来越被世界军事大国所认识。在高超声速飞行器的设计可分为理论计算、数值模拟和实验三个部分，当高超声速飞行器结构参数通过理论计算设计好后，首先通过数值模拟进行检验，判断其各项性能指标是否符合要求，然后改进得到符合要求的结构参数进行实验。可以看出高精度的数值模拟可以大幅度的减少实验次数，达到减少设计时间及成本的目的。

2、现有的高超声速飞行器的多物理场耦合数值模拟中，通过动网格方法将固体域与流体域的计算有机结合起来，动网格方法主要分为网格变形方法和重叠网格法。然而，现有的网格变形方法中，常用的拟物理法比如弹簧比拟法，一般是将位移量给入后通过迭代改方程组求解出变形后的网格各节点位置，该方法在面对大变形和扭转变形时的应对能力差，容易出现“折穿”的现象，导致变形后计算无法进行。常用的插值法可分为显示插值法和隐式插值法，显示插值法如逆距离加权法基于距离计算，适合于大规模并行计算，但是不考虑连接关系的“点对点”特性使得其变形后的网格质量很快下降，影响仿真精度；隐式插值法如径向基函数法，采用点与点之间的径向距离的函数，通过求解线性方程组得到插值函数的系数，然后得到内部节点的位置。该方法变形效果好，但其线性方程组规模为边界点数的平方，在三维问题上应用时计算量很大，计算效率得不到保证。重叠网格法由于具有方法简洁、对网格质量影响小的优点，广泛应用于结构在流场中的运动计算。传统的重叠网格法是基于cpu架构发展出来的，其原理是通过划分两套网格——背景网格和随体网格，随体网格包裹结构在背景网格中运动，随体网格每运动到一个节点都需要通过“挖洞”的方法在背景网格上挖出和其差不多大小的洞，然后划分背景网格边界和随体网格边界，两边界通过插值进行信息交互，实现结构运动的数值模拟。该方法在大型三维网格上进行标记递推时由于是串行操作，计算效率低且不适合在gpu架构上进行实现。

技术实现思路

1、基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种适用于gpu架构，在能够在提高变形能力的前提下保证变形精度和计算效率的基于高效动网格技术的飞行器性能优化方法、装置及设备。

2、一种基于高效动网格技术的飞行器性能优化方法，所述方法包括：

3、建立飞行器的固体域边界网格与流体域原始网格，以及基于流体域建立第一背景网格；

4、将固体域的边界位移量插值到所述第一背景网格边界上；判断所述流体域原始网格中节点与流体域第一背景网格中单元的对应包含关系，并计算原始网格节点在第一背景网格单元中的体积坐标；

5、对所述第一背景网格边界进行变形计算，得到第一背景网格中各节点变形后的新坐标信息；

6、根据所述体积坐标及所述新坐标信息更新所述流体域原始网格的节点坐标信息后，基于cfd计算得到飞行器结构变形情况及变形后性能参数；

7、建立飞行器的第二背景网格及随体网格，并建立所述随体网格与所述第二背景网格的连通关系，将所述随体网格节点独立并行的插值给所述第二背景网格后，基于飞行器的飞行时间及对应攻角，通过cfd计算得到不同飞行攻角下的飞行器性能；

8、根据所述飞行器结构变形情况、所述变形后性能参数及所述不同飞行攻角下的飞行器性能对所述飞行器进行性能优化。

9、其中一个实施例中，建立飞行器的固体域边界网格与流体域原始网格，以及基于流体域建立第一背景网格之前，还包括：

10、根据飞行器的设计要求，通过对飞行器进行受力平衡进行分析以及根据飞行器的运动方程进行计算，得到飞行器的总体设计参数，根据所述总体设计参数确定所述飞行器的基本构型；

11、根据所述总体设计参数及所述基本构型对飞行机进行初步设计，建立飞行器物理模型，基于所述飞行器物理模型划分固体域边界网格与流体域原始网格。

12、其中一个实施例中，所述固体域的边界位移量获取过程为：通过设置飞行条件，对所述飞行器的结构施加边界条件，通过有限元方法计算飞行器固体域的温升及变形情况，得到所述固体域的边界位移量。

13、其中一个实施例中，对所述第一背景网格边界进行变形计算之前，还包括：

14、根据所述体积坐标的信息，分别计算第一背景网格中单元的四个第一四面体体积以及所述原始网格中节点与第一背景网格中单元组成的四个第二四面体体积；

15、计算所述第一四面体体积与所述第二四面体体积之比的和的绝对值，并判断所述绝对值是否大于设定阈值；若否，则对所述第一背景网格进行变形计算。

16、其中一个实施例中，对所述第一背景网格边界进行变形计算，得到第一背景网格中各节点变形后的新坐标信息，包括：采用弹簧比拟法对所述第一背景网格边界进行变形计算；

17、首先确定两个节点之间的弹簧初始张力：

18、fij＝kij(xi-xj)

19、节点i所受的合力为连接其所有的弹簧的张力的合力：

20、

21、其中，i和j表示节点，x表示节点坐标值，ni为所有与节点i通过弹簧连接的点的合集，kij为弹性系数，表示为：表示边长；

22、当所述第一背景网格边界移动，其对应的边界网格节点的坐标改变，为保持所述背景网格各节点受力平衡，通过线性方程求解各节点变形后的新坐标信息：

23、ax＝f

24、其中，a表示矩阵，x表示各节点坐标行列式，f表示各节点所受合力行列式。

25、其中一个实施例中，对所述各节点变形后的新坐标进行收敛，其迭代公式如下：

26、

27、其中，k表示迭代次数。

28、其中一个实施例中，建立飞行器的第二背景网格及随体网格，并建立所述随体网格与所述第二背景网格的连通关系，将所述随体网格节点独立并行的插值给所述第二背景网格，包括：

29、根据飞行器设计要求规划飞行路线并计算不同时刻的飞行攻角，针对飞行器划分包含来流条件的第二背景网格以及包裹飞行器的随体网格；

30、对所述第二背景网格设置边界条件并进行一个时间步的计算，对所述第二背景网格赋初始值；

31、通过表面矢量法求解随体网格边界单元体心与第二背景网格单元之间的对应包含关系，判断所述随体网格边界单元体心是否在背景网格单元中，若是，则通过反距离加权法将背景网格的相关信息插值到所述随体网格边界单元上，所述随体网格以插值信息为边界条件进行一个时间步的计算，得到随体网格的全场值；

32、将所述全场值通过反距离加权法插值于所述第二背景网格对应区域中，并固定被插值单元的信息不随计算变化。

33、其中一个实施例中，通过表面矢量法求解随体网格边界单元体心与第二背景网格单元之间的对应包含关系，包括：

34、判断式表示为：

35、

36、其中，随体网格边界单元体心坐标为p(xp，yp，zp)，第二背景网格单元中各面的中点为ni(xi，yi，zi)，第二背景网格单元中各面的法向单位矢量为

37、若背景网格单元中各面的a值均大于0，则所述随体网格边界单元体心在背景网格单元中。

38、一种基于高效动网格技术的飞行器性能优化装置，所述装置包括：

39、网格划分模块，用于建立飞行器的固体域边界网格与流体域原始网格，以及基于流体域建立第一背景网格；

40、结构变形分析模块，用于将固体域的边界位移量插值到所述第一背景网格边界上；判断所述流体域原始网格中节点与流体域第一背景网格中单元的对应包含关系，并计算原始网格节点在第一背景网格单元中的体积坐标；对所述第一背景网格边界进行变形计算，得到第一背景网格中各节点变形后的新坐标信息；根据所述体积坐标及所述新坐标信息更新所述流体域原始网格的节点坐标信息后，基于cfd计算得到飞行器结构变形情况及变形后性能参数；

41、攻角分析模块，用于建立飞行器的第二背景网格及随体网格，并建立所述随体网格与所述第二背景网格的连通关系，将所述随体网格节点独立并行的插值给所述第二背景网格后，基于飞行器的飞行时间及对应攻角，通过cfd计算得到不同飞行攻角下的飞行器性能；

42、优化模块，用于根据所述飞行器结构变形情况、所述变形后性能参数及所述不同飞行攻角下的飞行器性能对所述飞行器进行性能优化。

43、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

44、步骤102，建立飞行器的固体域边界网格与流体域原始网格，以及基于流体域建立第一背景网格；

45、步骤104，将固体域的边界位移量插值到所述第一背景网格边界上；判断所述流体域原始网格中节点与流体域第一背景网格中单元的对应包含关系，并计算原始网格节点在第一背景网格单元中的体积坐标；对所述第一背景网格边界进行变形计算，得到第一背景网格中各节点变形后的新坐标信息；根据所述体积坐标及所述新坐标信息更新所述流体域原始网格的节点坐标信息后，基于cfd计算得到飞行器结构变形情况及变形后性能参数；

46、步骤106，建立飞行器的第二背景网格及随体网格，并建立所述随体网格与所述第二背景网格的连通关系，将所述随体网格节点独立并行的插值给所述第二背景网格后，基于飞行器的飞行时间及对应攻角，通过cfd计算得到不同飞行攻角下的飞行器性能；

47、步骤108，根据所述飞行器结构变形情况、所述变形后性能参数及所述不同飞行攻角下的飞行器性能对所述飞行器进行性能优化。

48、上述基于高效动网格技术的飞行器性能优化方法、装置及设备，建立飞行器的固体域边界网格与流体域原始网格，以及基于流体域建立第一背景网格；将固体域的边界位移量插值到所述第一背景网格边界上；判断所述流体域原始网格中节点与流体域第一背景网格中单元的对应包含关系，并计算原始网格节点在第一背景网格单元中的体积坐标；对所述第一背景网格边界进行变形计算，得到第一背景网格中各节点变形后的新坐标信息；根据所述体积坐标及所述新坐标信息更新所述流体域原始网格的节点坐标信息后，基于cfd计算得到飞行器结构变形情况及变形后性能参数；建立飞行器的第二背景网格及随体网格，并建立所述随体网格与所述第二背景网格的连通关系，将所述随体网格节点独立并行的插值给所述第二背景网格后，基于飞行器的飞行时间及对应攻角，通过cfd计算得到不同飞行攻角下的飞行器性能；根据飞行器结构变形情况、变形后性能参数及不同飞行攻角下的飞行器性能对飞行器进行性能优化。本发明通过插值法对背景网格和原始网格建立连通关系，由于背景网格稀疏变形能力强，通过网格变形法将背景网格的变形量插值到原始网格上，在提高变形能力的同时保证了变形的精度和效率；同时为了适用于gpu架构，根据gpu架构并行的特点，去掉了传统重叠网格法中的“挖洞”操作，同时通过插值法建立连通关系，实现各节点独立并行插值，提高了计算效率。