飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法技术

本发明专利技术提供一种飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法，基于并行环境下的分区非结构网格，从物面边界和分区边界处相继采用阵面推进的方式沿着网格拓扑一层层往外推进计算每个网格节点上的物面距，并采用光顺处理的方式提高物面距精度。相比于常规的飞行器流场分析方法，该方法不需要求解偏微分方程，也无需大量的搜索操作，理解容易且编程实现简便，计算效率可以得到大幅提高。同时，该方法成功将依赖网格拓扑的阵面推进法发展到并行分区网格环境下，并且可以直接用于嵌套网格下的物面距计算，在大规模分区网格上能够取得令人满意的速度、效率和精度，进而缩短飞行器设计、分析和研发周期。分析和研发周期。分析和研发周期。

【技术实现步骤摘要】
飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法


[0001]本专利技术涉及流体力学
，具体是一种飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法。

技术介绍

[0002]随着近年来计算机技术的飞速发展，计算流体力学（CFD）得到了蓬勃发展，CFD技术已在航空航天、船舶汽车等领域得到了广泛的验证与应用。而很多实际工程问题会涉及到几何变形或多体相对运动的流场分析，如襟副翼偏转、起落架收放、武器分离等，动态网格技术及嵌套网格技术是CFD非定常流场计算的一项重要工作。
[0003]物面距是网格单元或节点距离物面边界的最小距离，是嵌套网格隐式挖洞过程中识别非激活单元的主要判据，也是很多重要的湍流模型需要用到的重要参数。作为嵌套网格装配和湍流计算必要的数据准备，物面距的计算精度和效率显然是很重要的；尤其对有边界变形或相对运动的非定常流场问题，每个时间步都需要计算或更新物面距，其计算速度直接影响嵌套网格装配和流场求解的效率。
[0004]常用的物面距算法包括：穷举法、K
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d树搜索法、逆映射搜索法、偏微分方程（PDE）求解法和阵面推进法。穷举法是最简单和最可靠的物面距算法，每个网格点依次与所有物面点的距离进行循环比较，因此最为耗时。K
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d树和逆映射搜索法都是通过过滤大部分物面点来加速最近物面点的搜索，但搜索过程仍较为耗时。PDE求解法是将物面距当成一个波动方程来求解，其可基于流场求解器的框架进行，且在分区网格上可以保持与流场求解一样的并行求解效率，但偏微分方程需迭代求解，其计算耗时受网格量与迭代步数影响。阵面推进方法也可看成是一种物面波的传播方法，但该方法不求解偏微分方程，而是利用网格的拓扑关系，从物面开始一层一层地往外推进计算物面距，该方法的计算量小，计算效率最高，但其依赖于网格拓扑，网格疏密不一致也容易导致精度的损失；特别是在并行分区网格上，各计算核心上分区物面点数量分布不均（有的甚至不包含物面点）、分区边界不规则等因素导致分区网格物面距的并行阵面推进计算存在较大的技术挑战，也难以保证足够的计算精度。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法，通过两次阵面推进和一次光顺处理过程，实现物面波在分区网格上的高效精确的传播，解决在并行分区网格下阵面推进计算物面距的困难，保证了计算精度和稳健性，同时面对大规模网格时可以获得较高的计算效率，从而缩短飞行器设计、分析和研发周期。
[0006]本专利技术公开的一种飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法，包括以下步骤：S10、基于工程对象几何模型，生成计算网格；
节点都可以根据“处理过的”节点提供的最近物面点信息找到自身的最近物面点，从而计算出最小物面距，并标记为“处理过的”；后续阵面推进步骤参考步骤S40即可，直至阵面遍历整个分区网格，完成所有计算节点的物面距计算工作，将整套分区网格标记为“处理过的”。
[0011]S71、阵面未到达本套分区网格，本计算核心上的分区网格标记为“未处理过的”；S80、根据邻居信息，对物面距进行光顺处理；遍历所有分区网格上的网格节点，根据网格拓扑关系可以找到每个网格节点的邻居节点以及其对应的最近物面点，计算到的距离，如果该距离比网格节点已有的物面距更小，即，则更新该点物面距信息，将包含该点的网格单元加入第一层阵面。
[0012]后续阵面推进过程参考步骤S40即可，直至阵面中包含的网格单元为0，完成光顺处理工作。
[0013]S90、判断所有计算核心的分区网格是否都处理完毕，是则结束计算，并根据分区网格上计算的物面距信息开展对飞行器动态运动的流场分析，否则返回步骤S30。
[0014]本专利技术有益效果在于：通过设计和运用从物面、分区通信边界逐次推进的策略以及快速高效的光顺算法，特别适用于复杂构型大规模分区网格的高效的物面距计算，容易理解且易于编程实现，在大规模分区网格上取得令人满意的速度、效率和精度。同时，本方法具备模块化功能，可以直接应用到嵌套网格下的物面距计算，进而大大加快流场计算速度，从而缩短飞行器设计、分析和研发周期。
附图说明
[0015]图1是本专利技术流程图；图2是本专利技术一实施例提供的二维并行网格分区图；图3是本专利技术一实施例提供的从物面边界阵面推进示意图；图4是本专利技术一实施例提供的从物面边界阵面推进后物面距计算情况；图5是本专利技术一实施例提供的从分区通信边界阵面推进后物面距计算情况；图6是本专利技术一实施例提供的光顺处理后物面距计算情况；图7是本专利技术一实施例提供的三维网格与物面距计算情况；图8是本专利技术一实施例提供的物面距计算效率与其他方法对比情况；图9是本专利技术一实施例提供的复杂构型嵌套网格并行分区图；图10是本专利技术一实施例提供的复杂构型嵌套网格下物面距计算情况。
具体实施方式
[0016]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0017]本专利技术公开的一种简便高效的大规模分区网格物面距阵面推进并行计算方法，如图1所示，包括以下步骤S10
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S90：S10、基于工程对象几何模型，生成计算网格；计算网格可以是任意类型，如四面体、六面体、多面体等。
[0018]S20、基于METIS将网格均匀分成N份子网格，分发到各个并行计算核心上；其中METIS是一种图切分开源库，其基于多层次k路切分法，将初始计算网格均匀划分为N份分区子网格，每份子网格含有部分网格拓扑关系、边界面等分区网格信息，N份子网格分配到N个不同的计算核心上，从而达到负载平衡的目的。如图2所示，为二维网格在16个计算核心上的并行网格分区情况。附图2中的右边部分是对左边中央的局部放大。
[0019]S30、每个计算核心均判断本分区网格是否包含物面，是则执行步骤S40，否则执行步骤S50。
[0020]对于图2所示的分区网格，除了分区网格2和3，其他计算核心的分区网格都包含物面，都将执行步骤S40。
[0021]S40、本套分区网格包含壁面，以本计算核心上的分区网格的壁面为第一阵面向外推进，计算所有节点的物面距，本套分区网格标记为“处理过的”；在阵面推进前，每个计算核心都建立一个全局物面节点链表，里面存储初始网格分区前所有物面上节点的坐标，并建立每个分区网格上所含分区物面节点与全局物面节点的映射关系；对于含有分区物面的的计算核心，将自身分区网格上的所有网格单元和网格节点设为“未处理过的”，并将每个节点的初始物面距设为无穷大；如图3中的（1）所示，找到分区物面相邻的所有网格单元，建立第一层阵面，在该阵面上，包含了物面节点和“未处理过的”节点，所有物面节点的最近物面点是其本身，物面距为0，而所有“未处理过的”节点可以根据网格单元
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法，其特征在于，包括以下步骤：S10、基于工程对象几何模型，生成计算网格；S20、基于METIS将网格均匀分成N份子网格，分发到各个并行计算核心上；S30、每个计算核心均判断本分区网格是否包含物面，是则执行步骤S40，否则执行步骤S50；S40、本套分区网格包含壁面，以本计算核心上的分区网格的壁面为第一阵面向外推进，计算所有节点的物面距，本套分区网格标记为“处理过的”；S50、MPI通信，更新本计算核心上的分区网格的分区边界处节点物面距；S60、判断阵面是否到达本套分区网格，是则执行步骤S70，否则执行步骤S71；S70、阵面到达本套分区网格，以本计算核心上的分区边界为第一阵面向外推进，计算所有节点的物面距，本套分区网格标记为“处理过的”；S71、阵面未到达本套分区网格，本计算核心上的分区网格标记为“未处理过的”；S80、根据邻居信息，对物面距进行光顺处理；S90、判断所有计算核心的分区网格是否都处理完毕，是则结束计算，并根据分区网格上计算的物面距信息开展对飞行器动态运动的流场分析，否则返回步骤S30。2.根据权利要求1所述的飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法，其特征在于：所述步骤S10中的流体计算网格为任意类型。3.根据权利要求1所述的飞行器流场分析中的物面距阵面推进并行计算方法，其特征在于，所述步骤S40采用常规串行环境下阵面推进法的原理，其具体为：在阵面推进前，每个计算核心都建立一个全局物面节点链表，里面存储初始网格分区前所有物面上节点的坐标，并建立每个分区网格上所含分区物面节点与全局物面节点的映射关系；对于含有分区物面的的计算核心，将自身分区网格上的所有网格单元和网格节点设为“未处理过的”，并将每个节点的初始物面距设为无穷大；找到分区物面相邻的所有网格单元，建立第一层阵面，在该阵面上，包含了物面节点和“未处理过的”节点，所有物面节点的最近物面点是其本身，物面距为0，而所有“未处理过的”节点根据网格单元
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网格节点的连接关系找到最近物面点，从而计算出最小物...

【专利技术属性】
技术研发人员：支豪林，肖天航，邓双厚，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：