高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法及相关组件与流程

本发明涉及数值模拟计算领域，特别涉及一种高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、当高超声速飞行器飞行速度较高，例如马赫数10以上时，强烈气动加热使流场中出现高温，高温气体发生离解、复合、交换、电离等化学反应，气体分子热力学模态不同程度的激发，这种现象称为高温气体效应。由于流动速度很快，流动特征时间很短，化学反应和热力学激发常常处于非平衡态，因此又被称为高温气体热化学非平衡效应。它能显著改变混合气体的热力学性质和绕流流场结构，严重影响了飞行器的气动力特性、气动热环境、电磁特性、辐射特性等气动特性。在高超声速流动数值模拟过程中，不同流场区域、不同时刻的密度和压力变化，常可达到几个数量级以上。由于计算网格质量、数值误差等因素影响，高超声速飞行器的流动特性参数，如流场局部瞬时密度、压强或温度可能出现非物理的负值或大幅波动，进而导致数值计算发散。

2、为了避免这种情况，数值迭代过程中常常进行修正处理。例如，在商业软件cfd3d中就介绍了一种压强迭代修正技术。然而上述压强修正技术过程中，一方面存在数值迭代过程不稳定，且压强迭代下降幅度受到限制，从而导致影响迭代收敛速度的问题；另一方面，对于求解守恒型流动控制n-s方程的高超声速热化学非平衡流动模拟来说，上述压强迭代修正技术也受到一定限制，因为在守恒型流动控制方程求解过程中，每一步数值迭代，首先得到的是守恒变量，例如质量、动量、能量等，然后再由守恒变量计算得到原始变量，例如气体密度、速度、平转动温度、振动温度、电子温度、压力、各气体组分质量分数等。其通常的计算顺序为：先由质量守恒，得到气体密度；其次由气体密度，结合气体动量和各组分质量，得到气体速度和各气体组分质量分数；然后再由气体密度、速度和组分质量分数，结合气体能量，得到气体温度；最后由气体密度、气体各组分质量分数和气体温度，结合气体状态方程，得到气体压强。在这一过程中，如果仅对压强进行修正，不仅可能破坏了气体状态方程，而且不能完全解决数值失稳问题，因为压强出现非物理的负值只是最终的表象，它可能是由于密度或温度出现负值造成的，而密度或温度出现非物理的负值，同样会造成数值计算发散。

3、综上，如何在高超声速飞行器高温流场数值仿真过程中，避免高超声速飞行器每一迭代步的流动特性参数出现非物理的负值或大幅波动以增强迭代稳定性是目前有待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法、装置、设备及介质，能够在高超声速飞行器高温流场数值仿真过程中，避免高超声速飞行器每一迭代步的流动特性参数出现非物理的负值或大幅波动以增强迭代稳定性。其具体方案如下：

2、第一方面，本技术公开了一种高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法，包括：

3、在高超声速飞行器高温流场数值仿真过程中获取当前迭代步对应的当前流动特性参数以及相应参数的变化量；所述当前流动特性参数包括当前气体密度、当前气体各组分密度、当前气体各模态能量和当前气体动量；

4、基于所述当前流动特性参数以及相应参数的变化量，对所述当前迭代步和下一迭代步之间的流动特性参数迭代过程进行修正，以得到各修正后的流动特性参数；

5、基于所述各修正后流动特性参数确定出相应的原始变量和所述下一迭代步对应的流动特性参数以及相应参数的变化量。

6、可选的，所述基于所述当前流动特性参数以及相应参数的变化量，对所述当前迭代步和下一迭代步之间的流动特性参数迭代过程进行修正，以得到各修正后的流动特性参数，包括：

7、基于所述当前气体密度和相应的气体密度变化量，利用预设密度修正函数对所述当前迭代步和下一迭代步之间的气体密度迭代过程进行修正，以得到修正后气体密度；

8、基于所述当前气体组分密度和所述当前气体各模态能量以及相应的气体组分密度变化量和气体各模态能量变化量，利用预设的等效时间因子对所述当前迭代步和下一迭代步之间的气体组分密度迭代过程和气体各模态能量迭代过程进行修正，以得到修正后气体组分密度和修正后气体各模态能量；

9、基于所述当前气体动量和相应的气体动量变化量，利用所述等效时间因子和预设松弛系数对所述当前迭代步和下一迭代步之间的气体动量迭代过程进行修正，以得到修正后气体动量。

10、可选的，所述高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法，还包括：

11、基于所述当前气体密度和所述气体密度变化量构建指数函数，并基于所述指数函数和幅度调节系数构建所述预设密度修正函数。

12、可选的，所述高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法，还包括：

13、基于所述当前气体密度、所述气体密度变化量和所述修正后气体密度构建所述等效时间因子。

14、可选的，所述基于所述各修正后流动特性参数确定出相应的原始变量和所述下一迭代步对应的流动特性参数以及相应参数的变化量，包括：

15、基于所述各修正后流动特性参数，确定出包括气体速度、气体组分质量分数、气体温度和气体压强的原始变量以及基于所述各修正后流动特性参数得到所述下一迭代步对应的流动特性参数；

16、基于所述原始变量和所述下一迭代步对应的流动特性参数，并通过守恒型流动控制方程组的显示求解方式或隐式求解方式，确定出与所述下一迭代步对应的流动特性参数对应的参数变化量。

17、可选的，所述基于所述各修正后流动特性参数，确定出包括气体速度、气体组分质量分数、气体温度和气体压强的原始变量，包括：

18、基于所述修正后气体密度和所述修正后气体动量确定出气体速度；

19、基于所述修正后气体密度和所述修正后气体组分密度确定出气体组分质量分数；

20、基于所述修正后气体密度、所述修正后气体各模态能量、所述气体速度和所述气体组分质量分数并利用子迭代函数确定出气体温度；

21、将所述修正后气体密度、所述气体组分质量分数和所述气体温度输入气体状态方程表达式以确定出气体压强。

22、可选的，所述基于所述修正后气体密度和所述修正后气体组分密度确定出气体组分质量分数，包括：

23、确定混合气体的总组分数，并针对所述混合气体中的预设数量个目标气体，基于所述修正后气体密度和所述修正后气体组分密度确定出所述目标气体的气体组分质量分数；其中，所述预设数量小于所述总组分数；

24、利用电荷守恒规则和总质量守恒规则确定出所述混合气体中除所述目标气体组分以外的其余气体的气体组分质量分数。

25、第二方面，本技术公开了一种高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正装置，包括：

26、当前迭代步参数获取模块，用于在高超声速飞行器高温流场数值仿真过程中获取当前迭代步对应的当前流动特性参数以及相应参数的变化量；所述当前流动特性参数包括当前气体密度、当前气体各组分密度、当前气体各模态能量和当前气体动量；

27、参数修正模块，用于基于所述当前流动特性参数以及相应参数的变化量，对所述当前迭代步和下一迭代步之间的流动特性参数迭代过程进行修正，以得到各修正后的流动特性参数；

28、下一迭代步参数确定模块，用于基于所述各修正后流动特性参数确定出相应的原始变量和所述下一迭代步对应的流动特性参数以及相应参数的变化量。

29、第三方面，本技术公开了一种电子设备，包括：

30、存储器，用于保存计算机程序；

31、处理器，用于执行所述计算机程序，以实现前述公开的高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法的步骤。

32、第四方面，本技术公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序；其中，所述计算机程序被处理器执行时实现前述公开的高超声速飞行器高温流场数值仿真的修正方法的步骤。

33、可见，本技术在高超声速飞行器高温流场数值仿真过程中获取当前迭代步对应的当前流动特性参数以及相应参数的变化量；所述当前流动特性参数包括当前气体密度、当前气体各组分密度、当前气体各模态能量和当前气体动量；基于所述当前流动特性参数以及相应参数的变化量，对所述当前迭代步和下一迭代步之间的流动特性参数迭代过程进行修正，以得到各修正后的流动特性参数；基于所述各修正后流动特性参数确定出相应的原始变量和所述下一迭代步对应的流动特性参数以及相应参数的变化量。由此可见，本技术基于在高超声速飞行器高温流场数值仿真过程中获取到的与当前迭代步对应的当前流动特性参数以及相应参数的变化量，对当前迭代步和下一迭代步之间的流动特性参数迭代过程进行修正，得到各修正后流动特性参数，该流动特性参数包括当前气体密度、当前气体组分密度、当前气体各模态能量和当前气体动量；然后利用修正后的流动特性参数确定出相应的原始变量和下一迭代步对应的流动特性参数以及相应参数的变化量。通过上述迭代修正过程，避免了下一迭代步的流动特性参数出现非物理的负值或大幅波动的情况，从而增强了迭代的稳定性。