本發(fā)明涉及空氣動力學(xué)仿真，尤其涉及一種有效載荷氣動特性仿真方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、有效載荷在被拋撒后打開降落傘之前，其自身的穩(wěn)定性是保證其開傘可靠的前提，也是實現(xiàn)傘-載荷系統(tǒng)穩(wěn)定性和落點精確的關(guān)鍵。而影響有效載荷穩(wěn)定飛行的關(guān)鍵在于其氣動外形是否能保證其在飛行時靜穩(wěn)定，在優(yōu)化其氣動外形時，經(jīng)常采用風(fēng)洞試驗。

2、風(fēng)洞試驗價格昂貴且效費比低，并且模型尺寸也會受到風(fēng)洞大小的限制，根據(jù)測量精度的不同，也會在某種程度上產(chǎn)生一定誤差。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于解決背景技術(shù)中的至少一個技術(shù)問題，提供一種有效載荷氣動特性仿真方法和系統(tǒng)。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種有效載荷氣動特性仿真方法，包括：

3、根據(jù)有效載荷的實際尺寸，建立有效載荷的三維實體模型；

4、將三維實體模型導(dǎo)入有限元建模軟件，建立有效載荷的有限元數(shù)值模型；

5、基于所述有效載荷的有限元數(shù)值模型，在有效載荷周圍建立流場的有限元數(shù)值模型，有效載荷的有限元數(shù)值模型和流場的有限元數(shù)值模型共同形成仿真數(shù)值模型；

6、基于所述流場的有限元數(shù)值模型，設(shè)置流場的材料屬性和物理屬性；

7、基于計算流體力學(xué)配置用于求解流場的求解器仿真軟件的理論模型和計算方法；

8、將所述仿真數(shù)值模型輸入至所述求解器仿真軟件中，運行所述求解器仿真軟件獲得有效載荷及其周圍的流場特性仿真結(jié)果和有效載荷的氣動參數(shù)仿真結(jié)果。

9、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述將三維實體模型導(dǎo)入有限元建模軟件，建立有效載荷的有限元數(shù)值模型為：

10、將有效載荷的三維實體模型導(dǎo)入有限元建模軟件hypermesh中進行網(wǎng)格劃分，將有效載荷的三維實體模型劃分為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，形成有效載荷的有限元數(shù)值模型。

11、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述基于所述有效載荷的有限元數(shù)值模型，在有效載荷周圍建立流場的有限元數(shù)值模型，包括：

12、首先將靠近有效載荷的表面附近的流場布置5層邊界層過渡網(wǎng)格；

13、隨后將剩余的流場分為兩部分，將流場靠近有效載荷的內(nèi)層計算域劃分為四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，將流場遠離有效載荷的外層計算域劃分為六面體網(wǎng)格。

14、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述設(shè)置流場的材料屬性和物理屬性為：

15、將流場中的流體材料屬性設(shè)置為理想氣體，物理屬性設(shè)置為1個標準大氣壓，溫度為25℃。

16、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述基于計算流體力學(xué)配置用于求解流場的求解器仿真軟件的理論模型和計算方法，包括：

17、控制方程：

18、流體的運動需遵循質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒三大守恒定律，對流場中任意控制體的體積v和矢量面積微元da應(yīng)用積分形式的navier-stokes方程，其在笛卡爾坐標系下的向量形式為：

19、；

20、式中，矢量w為守恒變量，fc為對流通量，fv為源項，v為控制體，da為面元；

21、w、fc、fv和q分別為：

22、；

23、式中，為密度，u，v，w分別為三個方向的速度，e為總能，，式中，e為單位質(zhì)量內(nèi)能，v為速度矢量；

24、；

25、式中，v為垂直于面元da的逆變速度，p為壓力，h為總焓，、和為面元的外法向矢量n沿三個方向的分量；

26、其中，v和h的表達式分別為：

27、；

28、?；

29、；

30、其中，；

31、；

32、；

33、；

34、；

35、；

36、?；

37、；

38、?；

39、式中，為粘性應(yīng)力，為熱傳導(dǎo)系數(shù)，t為溫度，為動力粘度；

40、；

41、式中，fe為體積力，fex、fey、fez分別為fe的三個方向的分量，為熱通量密度；

42、湍流模型：

43、采用s-a湍流模型，s-a湍流模型中的輸運變量是與渦粘性相關(guān)的量，在粘性次層之外與粘性系數(shù)相等，輸運變量的輸運方程為：

44、；

45、式中，是湍流粘性生成項，是近壁區(qū)由壁面阻塞和粘性阻尼引起的湍流粘性耗散項，是自定義項，和是常數(shù)，為粘性系數(shù)，其計算公式如下：

46、；

47、其中，；其中為常量；

48、湍流粘性生成項的表達式為：

49、；

50、其中，；

51、；

52、，；；

53、；

54、；

55、式中，、k和為常數(shù)，d為距壁面的距離，s是變形張量，是層流旋轉(zhuǎn)張量，下標i和j是笛卡爾坐標系下的三個維度（x，y，z）的索引；

56、湍流粘性耗散項的表達式為：

57、；

58、其中，；

59、；

60、；

61、；

62、式中，、為常量；

63、邊界條件：

64、邊界條件包括：壁面邊界條件、無窮遠處壓力遠場邊界條件以及對稱邊界條件，其中壁面邊界使用無滑移絕熱壁，入口使用無反射邊界條件，對于亞音速流動，對應(yīng)進入、離開計算域的波存在兩個黎曼不變量等式：

65、；

66、；

67、式中，表示沿邊界法向的流體速度，c為當?shù)芈曀伲瑸榱黧w比熱比，表示無窮遠處的來流數(shù)值，m表示計算域內(nèi)的網(wǎng)格單元中心點數(shù)，由上面兩式可以得到和c的表達式如下：

68、；

69、；

70、利用、c、切向速度與熵即可求解出壓力、速度、密度在邊界上的數(shù)值。

71、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，將所述仿真數(shù)值模型輸入至所述求解器仿真軟件中，運行所述求解器仿真軟件獲得有效載荷及其周圍的流場特性仿真結(jié)果和有效載荷的氣動參數(shù)仿真結(jié)果，包括：

72、將仿真數(shù)值模型輸入fluent計算流體力學(xué)仿真軟件，運行fluent計算流體力學(xué)仿真軟件；

73、從fluent計算流體力學(xué)仿真軟件中獲得有效載荷周圍流場特性；

74、從fluent計算流體力學(xué)仿真軟件中提取表征有效載荷氣動特性的參數(shù)，包括：有阻力系數(shù)、升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和壓心系數(shù)。

75、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種有效載荷氣動特性仿真系統(tǒng)，包括：

76、三維實體模型構(gòu)建模塊，根據(jù)有效載荷的實際尺寸，建立有效載荷的三維實體模型；

77、有效載荷有限元數(shù)值模型構(gòu)建模塊，將三維實體模型導(dǎo)入有限元建模軟件，建立有效載荷的有限元數(shù)值模型；

78、仿真數(shù)值模型構(gòu)建模塊，基于所述有效載荷的有限元數(shù)值模型，在有效載荷周圍建立流場的有限元數(shù)值模型，有效載荷的有限元數(shù)值模型和流場的有限元數(shù)值模型共同形成仿真數(shù)值模型；

79、流場屬性設(shè)置模塊，基于所述流場的有限元數(shù)值模型，設(shè)置流場的材料屬性和物理屬性；

80、仿真配置模塊，基于計算流體力學(xué)配置用于求解流場的求解器仿真軟件的理論模型和計算方法；

81、仿真模塊，將所述仿真數(shù)值模型輸入至所述求解器仿真軟件中，運行所述求解器仿真軟件獲得有效載荷及其周圍的流場特性仿真結(jié)果和有效載荷的氣動參數(shù)仿真結(jié)果。

82、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種電子設(shè)備，包括處理器、存儲器及存儲在所述存儲器上并可在所述處理器上運行的計算機程序，所述計算機程序被所述處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的有效載荷氣動特性仿真方法。

83、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供一種計算機可讀存儲介質(zhì)，所述計算機可讀存儲介質(zhì)上存儲計算機程序，所述計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上所述的有效載荷氣動特性仿真方法。

84、根據(jù)本發(fā)明的方案，本發(fā)明涉及的數(shù)值仿真方法，可以極大程度的降低試驗費用，計算結(jié)果與實際相符，有效解決傳統(tǒng)方案中試驗成本高、效費比低和容易產(chǎn)生誤差的問題。

85、根據(jù)本發(fā)明的方案，本發(fā)明涉及的有效載荷氣動特性仿真方法能夠有效地模擬和預(yù)測有效載荷的周圍流場的動態(tài)變化情況，能夠獲得表征其氣動特性的參數(shù)，通過氣動特性參數(shù)可以分析不同氣動外形對有效載荷氣動特性的影響規(guī)律，對優(yōu)化有效載荷氣動外形、提高飛行穩(wěn)定至關(guān)重要，獲得的氣動參數(shù)可為后續(xù)傘-載荷系統(tǒng)的穩(wěn)定性評估提供依據(jù)。