有效载荷气动特性仿真方法和系统

本发明涉及空气动力学仿真，尤其涉及一种有效载荷气动特性仿真方法和系统。

背景技术：

1、有效载荷在被抛撒后打开降落伞之前，其自身的稳定性是保证其开伞可靠的前提，也是实现伞-载荷系统稳定性和落点精确的关键。而影响有效载荷稳定飞行的关键在于其气动外形是否能保证其在飞行时静稳定，在优化其气动外形时，经常采用风洞试验。

2、风洞试验价格昂贵且效费比低，并且模型尺寸也会受到风洞大小的限制，根据测量精度的不同，也会在某种程度上产生一定误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决背景技术中的至少一个技术问题，提供一种有效载荷气动特性仿真方法和系统。

2、为实现上述目的，本发明提供一种有效载荷气动特性仿真方法，包括：

3、根据有效载荷的实际尺寸，建立有效载荷的三维实体模型；

4、将三维实体模型导入有限元建模软件，建立有效载荷的有限元数值模型；

5、基于所述有效载荷的有限元数值模型，在有效载荷周围建立流场的有限元数值模型，有效载荷的有限元数值模型和流场的有限元数值模型共同形成仿真数值模型；

6、基于所述流场的有限元数值模型，设置流场的材料属性和物理属性；

7、基于计算流体力学配置用于求解流场的求解器仿真软件的理论模型和计算方法；

8、将所述仿真数值模型输入至所述求解器仿真软件中，运行所述求解器仿真软件获得有效载荷及其周围的流场特性仿真结果和有效载荷的气动参数仿真结果。

9、根据本发明的一个方面，所述将三维实体模型导入有限元建模软件，建立有效载荷的有限元数值模型为：

10、将有效载荷的三维实体模型导入有限元建模软件hypermesh中进行网格划分，将有效载荷的三维实体模型划分为四面体非结构网格，形成有效载荷的有限元数值模型。

11、根据本发明的一个方面，所述基于所述有效载荷的有限元数值模型，在有效载荷周围建立流场的有限元数值模型，包括：

12、首先将靠近有效载荷的表面附近的流场布置5层边界层过渡网格；

13、随后将剩余的流场分为两部分，将流场靠近有效载荷的内层计算域划分为四面体非结构网格，将流场远离有效载荷的外层计算域划分为六面体网格。

14、根据本发明的一个方面，所述设置流场的材料属性和物理属性为：

15、将流场中的流体材料属性设置为理想气体，物理属性设置为1个标准大气压，温度为25℃。

16、根据本发明的一个方面，所述基于计算流体力学配置用于求解流场的求解器仿真软件的理论模型和计算方法，包括：

17、控制方程：

18、流体的运动需遵循质量守恒、动量守恒、能量守恒三大守恒定律，对流场中任意控制体的体积v和矢量面积微元da应用积分形式的navier-stokes方程，其在笛卡尔坐标系下的向量形式为：

19、；

20、式中，矢量w为守恒变量，fc为对流通量，fv为源项，v为控制体，da为面元；

21、w、fc、fv和q分别为：

22、；

23、式中，为密度，u，v，w分别为三个方向的速度，e为总能，，式中，e为单位质量内能，v为速度矢量；

24、；

25、式中，v为垂直于面元da的逆变速度，p为压力，h为总焓，、和为面元的外法向矢量n沿三个方向的分量；

26、其中，v和h的表达式分别为：

27、；

28、 ；

29、；

30、其中，；

31、；

32、；

33、；

34、；

35、；

36、 ；

37、；

38、 ；

39、式中，为粘性应力，为热传导系数，t为温度，为动力粘度；

40、；

41、式中，fe为体积力，fex、fey、fez分别为fe的三个方向的分量，为热通量密度；

42、湍流模型：

43、采用s-a湍流模型，s-a湍流模型中的输运变量是与涡粘性相关的量，在粘性次层之外与粘性系数相等，输运变量的输运方程为：

44、；

45、式中，是湍流粘性生成项，是近壁区由壁面阻塞和粘性阻尼引起的湍流粘性耗散项，是自定义项，和是常数，为粘性系数，其计算公式如下：

46、；

47、其中，；其中为常量；

48、湍流粘性生成项的表达式为：

49、；

50、其中，；

51、；

52、，；；

53、；

54、；

55、式中，、k和为常数，d为距壁面的距离，s是变形张量，是层流旋转张量，下标i和j是笛卡尔坐标系下的三个维度（x，y，z）的索引；

56、湍流粘性耗散项的表达式为：

57、；

58、其中，；

59、；

60、；

61、；

62、式中，、为常量；

63、边界条件：

64、边界条件包括：壁面边界条件、无穷远处压力远场边界条件以及对称边界条件，其中壁面边界使用无滑移绝热壁，入口使用无反射边界条件，对于亚音速流动，对应进入、离开计算域的波存在两个黎曼不变量等式：

65、；

66、；

67、式中，表示沿边界法向的流体速度，c为当地声速，为流体比热比，表示无穷远处的来流数值，m表示计算域内的网格单元中心点数，由上面两式可以得到和c的表达式如下：

68、；

69、；

70、利用、c、切向速度与熵即可求解出压力、速度、密度在边界上的数值。

71、根据本发明的一个方面，将所述仿真数值模型输入至所述求解器仿真软件中，运行所述求解器仿真软件获得有效载荷及其周围的流场特性仿真结果和有效载荷的气动参数仿真结果，包括：

72、将仿真数值模型输入fluent计算流体力学仿真软件，运行fluent计算流体力学仿真软件；

73、从fluent计算流体力学仿真软件中获得有效载荷周围流场特性；

74、从fluent计算流体力学仿真软件中提取表征有效载荷气动特性的参数，包括：有阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数和压心系数。

75、为实现上述目的，本发明还提供一种有效载荷气动特性仿真系统，包括：

76、三维实体模型构建模块，根据有效载荷的实际尺寸，建立有效载荷的三维实体模型；

77、有效载荷有限元数值模型构建模块，将三维实体模型导入有限元建模软件，建立有效载荷的有限元数值模型；

78、仿真数值模型构建模块，基于所述有效载荷的有限元数值模型，在有效载荷周围建立流场的有限元数值模型，有效载荷的有限元数值模型和流场的有限元数值模型共同形成仿真数值模型；

79、流场属性设置模块，基于所述流场的有限元数值模型，设置流场的材料属性和物理属性；

80、仿真配置模块，基于计算流体力学配置用于求解流场的求解器仿真软件的理论模型和计算方法；

81、仿真模块，将所述仿真数值模型输入至所述求解器仿真软件中，运行所述求解器仿真软件获得有效载荷及其周围的流场特性仿真结果和有效载荷的气动参数仿真结果。

82、为实现上述目的，本发明还提供一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的有效载荷气动特性仿真方法。

83、为实现上述目的，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的有效载荷气动特性仿真方法。

84、根据本发明的方案，本发明涉及的数值仿真方法，可以极大程度的降低试验费用，计算结果与实际相符，有效解决传统方案中试验成本高、效费比低和容易产生误差的问题。

85、根据本发明的方案，本发明涉及的有效载荷气动特性仿真方法能够有效地模拟和预测有效载荷的周围流场的动态变化情况，能够获得表征其气动特性的参数，通过气动特性参数可以分析不同气动外形对有效载荷气动特性的影响规律，对优化有效载荷气动外形、提高飞行稳定至关重要，获得的气动参数可为后续伞-载荷系统的稳定性评估提供依据。