計算流體動力學數(shù)據(jù)傳遞

母德強，李彥洲，姜振海

（長春工業(yè)大學，長春 130012）

0 引言

高速飛行器在運動過程中受外界摩擦阻力和周圍的溫度變化影響極大，所以在飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應將這些因素考慮進去，熱流固耦合分析是解決這種問題的關(guān)鍵。本文對飛行器高速運動時進行熱流固耦合分析，熱分析是指對飛行器周圍的溫度場進行分析，流分析是指對飛行器周圍的流動場進行分析，固分析是指對飛行器的結(jié)構(gòu)場進行分析，熱流固耦合分析是量化不同物理場之間相互的影響。溫度場和流體場需要針對飛行器周圍流體場進行分析，需要進行流體動力學計算，計算的結(jié)果導入結(jié)構(gòu)場中進行耦合分析。計算流體動力學需對飛行器周圍流體場劃分網(wǎng)格，計算的結(jié)果儲存在節(jié)點內(nèi)，而分析結(jié)構(gòu)場中需對飛行器表面結(jié)構(gòu)場劃分網(wǎng)格，導致在數(shù)據(jù)傳遞過程中，不同物理場的網(wǎng)格節(jié)點無法統(tǒng)一。前人闡述對熱流固耦合分析數(shù)值傳遞過程中，只描述對兩種物理場信息求解軟件之間接口問題，局限于兩種物理場網(wǎng)格劃分相對一致的近似計算情況，精度有限。本文利用搜索函數(shù)和權(quán)函數(shù)思想，對流體動力學計算出的數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)傳遞給結(jié)構(gòu)場中進行分析，給出處理此傳遞過程的數(shù)據(jù)傳遞公式，精確順序熱流固耦合場仿真問題模擬。

1 流體動力學仿真計算結(jié)果傳遞

通過流體動力學計算得到某一時間點的數(shù)據(jù)信息。在飛行器運動過程，利用計算流體動力學得到某飛行器周圍流場網(wǎng)格節(jié)點內(nèi)的數(shù)據(jù)信息，包括節(jié)點壓力與節(jié)點溫度值，并對飛行器表面的結(jié)構(gòu)場進行網(wǎng)格劃分。流體場劃分網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量比結(jié)構(gòu)場中使用單元節(jié)點多，所以無法直接運用流體動力學數(shù)值進行耦合分析。如圖1 所示為某飛行器外表面和周圍場網(wǎng)格劃分參考示意圖，實線表示飛行器外面表結(jié)構(gòu)場中單元劃分情況，虛線表示流體場中單元劃分情況；a、b、c、d為結(jié)構(gòu)場分析使用單元節(jié)點，I、J、K、L為流體動力學分析使用單元節(jié)點；節(jié)點圍成四邊形為一個單元體。

用數(shù)學方程表示計算流體動力學得到的飛行器周圍流場外節(jié)點載荷信息：

圖1 飛行器的多物理場劃分參考示意圖

式中：xi、yi與zi為第i 個流場單元節(jié)點坐標值；Pi是第i個流場單元節(jié)點壓強值；Ti為是第i 個流場節(jié)點溫度值；n為此流場單元節(jié)點個數(shù)。

將求得的信息存儲在分析過程中，并記錄在數(shù)組。建立如下函數(shù)，并記錄結(jié)構(gòu)場分析飛行器外表面節(jié)點的載荷信息：

式中：pj為第j 個結(jié)構(gòu)場節(jié)點的壓強值；Tj為第j 個結(jié)構(gòu)場節(jié)點的溫度值；m為結(jié)構(gòu)場單元節(jié)點個數(shù)。

設(shè)定搜索函數(shù)，此搜索函數(shù)可記錄節(jié)點內(nèi)對應信息：

式中：ej為飛行器結(jié)構(gòu)外表面標注的單元號；mI、mJ、mK、mL為對應周圍流場的網(wǎng)格節(jié)點號。

由于存在對應關(guān)系，流場網(wǎng)格比結(jié)構(gòu)場計算網(wǎng)格稠密，因此存在不同場網(wǎng)格的對應關(guān)系。該函數(shù)可找到各自結(jié)構(gòu)場單元節(jié)點對應的最近流體場節(jié)點，并記錄于數(shù)組，利用最近的4 個流體場節(jié)點儲存的數(shù)值可近似估計結(jié)構(gòu)場節(jié)點對應的數(shù)值。

用幾何思想，求出4 個流體場節(jié)點圍成的幾何形心，并把此幾何形心的數(shù)值賦予結(jié)構(gòu)場ej上，方程如下：

式中：wi為結(jié)構(gòu)場單元4 個節(jié)點數(shù)值的權(quán)重值；Φ（nj）是構(gòu)成流體場網(wǎng)格4 個節(jié)點各自壓強載荷值；Ψ（nj）為流體場網(wǎng)格4 個節(jié)點各自對應溫度載荷值。

把各自流體場節(jié)點對結(jié)構(gòu)場節(jié)點的空間距離當作衡量權(quán)重標準，規(guī)定方程：

最后得到結(jié)構(gòu)場單元的單元面載荷數(shù)組：

式中：lij（i=a、b、c、d；j=I、J、K、L）為兩個節(jié)點間空間距離；ej為第j 個結(jié)構(gòu)場單元的載荷信息；Pj為第j 個結(jié)構(gòu)場的壓強值；Tj為第j 個結(jié)構(gòu)場的溫度值。

2 流體動力學數(shù)據(jù)傳遞在飛行器運動中熱流固耦合分析實例

在飛行器飛行中，利用FLUENT 和ANSYS 軟件分析熱流固耦合場。在FLUENT 軟件得到流體場的溫度和壓強值，溫度值和壓強值在ANSYS 結(jié)構(gòu)場中進行耦合分析。利用前兩章節(jié)公式處理數(shù)據(jù)，便可以將FLUENT 計算的結(jié)果仿真出飛行器外表面的熱載荷和力載荷，這兩種載荷同時施加在結(jié)構(gòu)場單元上。如圖2 與圖3 所示，為施加到飛行器的力載荷和熱載荷信息的轉(zhuǎn)換。

圖2 某飛行器力載荷轉(zhuǎn)換

圖3 某飛行器熱載荷轉(zhuǎn)換

3 結(jié)論

物體在高速運動中，需考慮熱和力同時對結(jié)構(gòu)體的影響，單純地把流體動力學網(wǎng)格疊加到結(jié)構(gòu)場的網(wǎng)格這種方法適用于計算要求誤差不高的情況，而對數(shù)據(jù)處理，再導入結(jié)構(gòu)場分析，這種方法使熱流固耦合分析過程更加精確。本文完整熱流固耦合數(shù)據(jù)處理工過程，建立了FLUENT 與ANSYS 聯(lián)合仿真平臺，填補了熱流固耦合分析數(shù)據(jù)傳遞這一領(lǐng)域的空白。

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