一种流场预测方法及系统与流程

本技术涉及计算流体力学，尤其涉及一种流场预测方法及系统。

背景技术：

1、计算流体力学（computational fluid dynamics，cfd）技术是一门利用计算机数值求解流动控制ns方程（navier-stokes方程的简称，用于描述流体力学的控制方程）的交叉学科。cfd数值模拟方法是飞行器研制中不可或缺的手段，具有成本低、保真度高的优点。因此，提高cfd模拟效率，对于飞行器研制降低成本和提高保真度，具有非常重要的意义。

2、现有技术中，采用流场中每个点的坐标作为流场的局部特征，作为模型的输入特征，通过建立数学物理模型，以构建相对接近真实解的流场，从而提高cfd数值模拟效率。

3、但是，本技术发明人在实现本技术实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术方案至少存在如下技术问题：

4、由于初始流场设置简单，仅使用坐标作为流场的局部特征，会缺失算例的外形特征，将外形特征进行参数化输入网络，流场中的点与外形的关系不可知，导致流场预测的精度低，收敛时间长。

技术实现思路

1、本发明公开了一种流场预测方法及系统，旨在解决如何提高流场预测精度和计算效率的技术问题。

2、主要通过以下技术方案实现上述发明目的：

3、第一方面，提供了一种流场预测方法，通过流场预测系统执行，先利用前处理软件对流场建立网格；确定每个网格单元的壁面距离和法向量；然后基于流场外形，预先设置一定工况，并利用cfd软件迭代计算至收敛，得到相应工况下的流场变量；再将所述壁面距离、所述法向量以及目标物相对所述流场的攻角，作为预先构建的流场预测模型的输入，将所述流场变量作为流场预测模型的输出，对流场预测模型进行训练；最后利用训练后的流场预测模型对目标流场进行预测，得到目标流场变量。

4、在一个优选的技术方案中，确定每个网格单元的壁面距离和法向量，包括：

5、判断所述流场是否为湍流场；

6、若是，则建立流场外形壁面的笛卡尔三维直角坐标系，确定平行于笛卡尔三维直角坐标系三个坐标面的流场外形网格单元的数量，其中，流场外形网格单元表示包含流场外形的网格单元，判断每一坐标面流场外形网格单元的数量是否大于等于预设值；

7、若三个坐标面的流场外形网格单元的数量，均小于预设值，则计算网格单元与每一个流场外形网格单元的距离，选取其中距离最小值作为该网格单元相对于所述流场外形的壁面距离；根据该网格单元与所述流场外形的壁面的交点，得到该网格单元相对于所述流场外形在所述交点的法向量；遍历循环所述流场中建立的每一个网格单元，得到每个网格单元的壁面距离和法向量。

8、在一个优选的技术方案中，所述方法还包括：

9、若三个坐标面中存在至少一个坐标面，与其平行的流场外形网格单元的数量大于等于预设值，则将其中数量最大值对应平行的坐标面作为目标坐标面，与所述目标坐标面垂直的坐标轴作为目标坐标轴；将所述流场外形和网格单元，以所述目标坐标轴为基线，按照预设角度值进行旋转，建立旋转后的网格单元的搜索盒子，选取落入该搜索盒子内的流场外形网格单元；计算该网格单元与落入该搜索盒子内的流场外形网格单元，之间的距离，选取其中距离最小值作为该网格单元相对于所述流场外形的壁面距离；根据该网格单元与所述流场外形的壁面的交点，得到该网格单元相对于所述流场外形在所述交点的法向量；遍历循环所述流场中建立的每一个网格单元，得到每个网格单元的壁面距离和法向量。

10、在一个优选的技术方案中，基于流场外形，预先设置一定工况，并利用cfd软件迭代计算至收敛，得到相应工况下的流场变量，包括：

11、若所述流场为湍流场；则基于该湍流场外形预先设置一定工况，利用cfd软件迭代计算至收敛，得到相应工况下的流场密度、速度、压力、温度和湍流系数。

12、在一个优选的技术方案中，还包括：

13、若所述流场为非湍流场；则判断针对所述流场建立的网格是否为结构网格；

14、若是，则将结构网格的拓扑关系转换为非结构网格的拓扑关系；采用非结构壁面距离的计算方法计算每一个非结构网格单元相对于流场外形的壁面距离；根据非结构网格单元与所述流场外形的壁面的交点，得到非结构网格单元相对于所述流场外形在所述交点的法向量；将每一个非结构网格单元的壁面距离映射回所述结构网格中，得到所述结构网格中每一个结构网格单元相对于流场外形的壁面距离和法向量。

15、在一个优选的技术方案中，基于流场外形，预先设置一定工况，并利用cfd软件迭代计算至收敛，得到相应工况下的流场变量，包括：

16、若所述流场为非湍流场；则基于该流场外形预先设置一定工况，利用cfd软件迭代计算至收敛，得到相应工况下的流场密度、速度、压力和温度。

17、在一个优选的技术方案中，所述方法还包括：

18、对所述壁面距离进行归一化处理；归一化的计算式如下：

19、;

20、其中：

21、d表示壁面距离；

22、dmax表示流场中的最大壁面距离；

23、dmin表示流场中的最小壁面距离；

24、dnew表示归一化后的壁面距离。

25、在一个优选的技术方案中，所述方法还包括：

26、将所述目标流场变量作为cfd软件计算的初场，再次利用cfd软件迭代计算至收敛。

27、在一个优选的技术方案中，采用随机森林预先构建流场预测模型。

28、第二方面，提供了一种流场预测系统，包括：

29、网格建立模块，利用前处理软件对流场建立网格；

30、确定模块，用于确定每个网格单元的壁面距离和法向量；

31、cfd计算模块，基于流场外形，预先设置一定工况，并利用cfd软件迭代计算至收敛，得到相应工况下的流场变量；

32、模型训练模块，用于将所述壁面距离、所述法向量以及目标物相对所述流场的攻角，作为预先构建的流场预测模型的输入，将所述流场变量作为流场预测模型的输出，对流场预测模型进行训练；

33、流场预测模块，利用训练后的流场预测模型对目标流场进行预测，得到目标流场变量。

34、第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述的一种流场预测方法的部分或全部步骤。

35、相较于现有技术的有益效果：

36、本发明将流场中壁面距离、法向量和攻角作为流场预测模型的输入，将利用cfd软件迭代计算至收敛，得到的流场变量作为流场预测模型的输出，对流场预测模型进行训练，最后利用训练后的流场预测模型对目标流场进行预测，得到目标流场变量；壁面距离和法向量可以表征流场的几何特征，既能表示局部特征，也能表示全局特征，还能描述流场中的点与外形的关系，从而提高流场预测模型的预测精度，以及加速流场的迭代计算。解决了现有技术中流场预测精度低计算收敛速度慢的技术问题。