高分辨率雷诺应力与雷诺平均Navier-Stokes方程求解器的兼容方法与流程

本发明涉及数据驱动的雷诺平均湍流场优化，尤其涉及高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法。

背景技术：

1、目前，雷诺平均navier-stokes（rans）方法仍然是航空航天工程领域计算湍流的主流方法。但是由于湍流模型的局限性，该方法对激波/边界层干扰等复杂分离流的预测偏差较大，难以满足工程实践的需求，基于高分辨率计算方法获取的雷诺应力数据在一定程度上可以改善rans结果的准确度。现有技术基于“冻结”假设和最小二乘法实现了低速流动下的rans流场的优化，但并不适用于超声速等高速流动，在高分辨率雷诺应力和rans时均场迭代过程中容易出现误差积累造成求解器发散问题。

2、有鉴于此，如何基于高分辨率雷诺应力数据实现超声速激波/边界层干扰复杂分离流的rans流场改善是本领域亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，旨在实现高分辨率雷诺应力和rans时场均迭代过程的稳定以及流场的收敛，进而实现改善rans流场准确度的目的。

2、为解决以上技术问题，本发明的技术方案为提供高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，包括：

3、s1：获取高速激波/边界层干扰复杂分离流的高分辨率雷诺应力数据；

4、s2：将所述高分辨率雷诺应力数据耦合sst湍流模型的rans求解器获得低分辨率的时均场数据，并将所述时均场数据设定为初始值，所述时均场数据包括第一涡粘和第一平均应变率张量；

5、s3：计算高分辨率雷诺应力各向异性张量并将数据读取至rans求解器；

6、s4：利用最小二乘法反算每个网格单元的涡粘，得到涡粘反算值；

7、s5：将涡粘反算值与所述第一涡粘进行加权计算并约束其上、下界，得到约束后的第二涡粘；

8、s6：将所述第二涡粘赋值到所述rans求解器中，并进行质量方程、动量方程、能量方程的迭代，更新速度场和平均应变率张量；

9、s7：循环s3-s6，直至rans速度场和dns速度场之间的均方误差收敛。

10、作为一种实施方式，所述获取高速激波/边界层干扰复杂分离流的高分辨率雷诺应力数据的方式包括：

11、通过直接数值模拟获取高速激波/边界层干扰复杂分离流的高分辨率雷诺应力数据，或，

12、通过大涡模拟获取高速激波/边界层干扰复杂分离流的高分辨率雷诺应力数据。

13、作为一种实施方式，所述sst湍流模型的控制方程被配置为通过方程1和方程2计算得到sst涡粘，其中，

14、方程1：

15、，

16、方程2：

17、，

18、sst涡粘：

19、，

20、其中，表示偏导运算，表示密度，表示湍功能，表示时间，表示速度，表示张量形式空间坐标轴，下标表示空间维度索引，表示动量粘性，表示t时刻的运动粘性，表示bradshaw常数，表示湍流动量粘性，表示动能生成项，表示比耗散率生成项，表示涡量大小，、、、均为因变量，由相应下标1和2的常数参数通过混合函数得到，、为常数参数，和为经验函数，表示比耗散率。

21、

22、作为一种实施方式，所述高分辨率雷诺应力各向异性张量的计算方程被配置为：，其中，表示高分辨率雷诺应力张量，表示高分辨率雷诺应力各向异性张量，表示湍功能，表示kronecker符号，下标和表示空间维度索引。

23、作为一种实施方式，所述利用最小二乘法反算每个网格单元的涡粘，包括：

24、采用公式反算每个网格单元的涡粘，其中，表示第k步迭代的平均应变率张量，表示涡粘反算值，高分辨率雷诺应力各向异性张量，表示高分辨率雷诺应力张量，表示湍功能，表示kronecker符号，下标和表示空间维度索引。

25、作为一种实施方式，所述将涡粘反算值与所述第一涡粘进行加权计算并约束其上、下界之前，还包括：

26、设定加权系数的数值，在需要优化的流场区域设为1，在无需优化的流场区域设为0，交界处通过tanh函数予以光顺连接。

27、作为一种实施方式，所述第二涡粘被约束的上、下界为，其中表示约束后的第二涡粘，表示约束前的第二涡粘。

28、作为一种实施方式，所述均方误差的计算公式被配置为：，其中，上标dns表示dns速度场相关参数，rans表示rans速度场相关参数，、分别表示水平和垂直速度，表示优化网格单元的总数，下标表示优化网格单元索引。

29、本发明的首要改进之处：能够实现高分辨率雷诺应力数据和基于sst模型低分辨率rans流场的相容性处理，确保优化过程中迭代计算的稳定性，实现力系数的再次收敛，提高了rans流场的准确度，最终达到提高rans方法对分离泡、力系数等关键信息预测准确度的目的。

技术特征：

1.高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述获取高速激波/边界层干扰复杂分离流的高分辨率雷诺应力数据的方式包括：

3.根据权利要求1所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述sst湍流模型的控制方程被配置为通过方程1和方程2计算得到sst涡粘，其中，

4.根据权利要求1所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述高分辨率雷诺应力各向异性张量的计算方程被配置为：，其中，表示高分辨率雷诺应力张量，表示高分辨率雷诺应力各向异性张量，表示湍功能，表示kronecker符号，下标和表示空间维度索引。

5.根据权利要求1所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述利用最小二乘法反算每个网格单元的涡粘，包括：

6.根据权利要求1所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述将涡粘反算值与所述第一涡粘进行加权计算并约束其上、下界之前，还包括：

7.根据权利要求6所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述第二涡粘被约束的上、下界为，其中表示约束后的第二涡粘，表示约束前的第二涡粘。

8.根据权利要求1所述的高分辨率雷诺应力与雷诺平均navier-stokes方程求解器的兼容方法，其特征在于，所述均方误差的计算公式被配置为：，其中，上标dns表示dns速度场相关参数，rans表示rans速度场相关参数，、分别表示水平和垂直速度，表示优化网格单元的总数，下标表示优化网格单元索引。

技术总结
本发明涉及数据驱动的雷诺平均湍流场优化技术领域，尤其涉及高分辨率雷诺应力与雷诺平均Navier‑Stokes方程求解器的兼容方法，包括：S1：获取高速激波/边界层干扰复杂分离流的高分辨率雷诺应力数据；S2：耦合SST湍流模型的RANS求解器获得低分辨率的时均场数据，S3：计算高分辨率雷诺应力各向异性张量，S4：利用最小二乘法反算每个网格单元的涡粘，S5：再通过加权计算更新湍流粘性，并约束其上、下界，S6：运行RANS求解器，更新速度场和平均应变率张量；S7：循环S3‑S6，直至RANS速度场和DNS速度场之间的均方误差收敛。实现了高分辨率雷诺应力数据和基于SST模型低分辨率RANS流场的相容性处理，确保优化过程中迭代计算的稳定性，实现力系数的再次收敛，提高了RANS流场的准确度。

技术研发人员：朱林阳,王天
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21