本发明属于高精度非定常数值模拟计算领域。
背景技术：
1、近10年来，在国民经济和国防需求的共同牵引下，航空航天领域得到迅猛发展。在飞行器的各类飞行状态下，流动分离现象常有发生，不论是大攻角飞行引起的大范围流动分离、或是高马赫数下激波边界层干扰引起的局部小分离，都会对飞行器局部结构或热防护系统造成损伤，严重时甚至会影响飞行任务的顺利执行。因此，在飞行器总体设计阶段，数值模拟可用于对此类流动现象进行预测，为飞行器的气动外形、结构设计等提供了重要支撑。
2、随着计算流体力学的不断发展，结合工程实际应用追求的高效性与准确性，高精度非定常流动数值模拟方法，雷诺平均(reynolds-averaged navier-stokes,rans)-大涡模拟(large eddy simulation,les)混合方法(简称rans-les混合方法)，是目前采用的主要方法之一。传统的rans-les混合方法存在的主要问题为“灰区”问题，即在rans模态向les模态过渡时存在较长的过渡区，les模态切换不及时，易造成数值预测得到的湍流结构解析不足、剪切层失稳靠后、流动分离位置误差较大等问题，从而无法对飞行器的结构设计提供较为准确合理的指导意见。针对此类问题，目前可采用rans-les混合方法与湍流生成方法相结合的手段，湍流生成方法可在流场中施加湍流扰动，加快rans-les混合方法从rans模态到les模态的切换，诱导小尺度湍流结构的生成，有利于“灰区”问题的缓解，提高rans-les混合方法的预测精度。
3、目前现有的湍流生成方法主要为入口湍流生成方法，如合成涡方法、合成发卡涡方法，其主要思路为根据各种涡模型去采用核函数近似湍流涡，从而施加湍流扰动。
4、现有的入口湍流生成方法存在两个缺点：
5、需要指定入口截面，即分区添加扰动速度场，无法预测全局流场；
6、局限于二维的零压梯度平板湍流边界层生成，无法应用于复杂三维飞行器流动的数值预测。
7、上述两个缺点导致入口湍流生成方法无法适用于实际工程应用，对真实的复杂三维飞行器流动数值预测还存在极大的挑战。
技术实现思路
1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
2、为此，本发明的目的在于提出一种基于合成粒子组的非分区湍流生成方法，用于非分区的湍流生成，从而能准确预测真实的复杂三维飞行器流动。
3、为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于合成粒子组的非分区湍流生成方法，包括：
4、确定合成粒子组的基本特征；
5、设定所述合成粒子组的注入准则，包括生成位置和注入算法；
6、根据所述注入准则完成所述合成粒子组的注入，诱导小尺度湍流结构的生成。
7、另外，根据本发明上述实施例的一种基于合成粒子组的非分区湍流生成方法还可以具有以下附加的技术特征：
8、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述确定合成粒子组的基本特征，包括：
9、确定所述合成粒子组的形状、特征尺度、密度，其中，
10、所述形状由核函数描述，为近似高低速条带流动单元；
11、所述特征尺度lspo定义为：
12、lspo＝δmax+α(lrans-δmax),α～υ(0,1)，
13、其中，δmax为网格尺度，由计算网格确定；lrans为湍流尺度，由当地流场得到；α为位于0到1均匀分布的随机数；
14、所述密度定义为：
15、其中，δt为计算的时间步长，用户可自行设置；vcell为网格单元的体积，由计算网格得到；τspo为合成粒子组的生存周期，τspo＝4.0/ω，ω为湍流频率，由当地流场确定，vspo为单个合成粒子组的体积。
16、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述设定所述合成粒子组的注入准则，包括：
17、设定所述合成粒子组的生成位置，具体地，通过当地流场确定的混合长度尺度lhybrid和湍流速度确定注入位置：
18、
19、其中，cu为常数，取cu＝0.04；
20、以及，采用拒绝/采样算法，包括对每一个物理时间步遍历每一个网格，在计算合成粒子组密度ρspo的同时产生一个位于0和1之间均匀分布的随机数α～υ(0,1)，然后该随机数与合成粒子组密度ρspo比较大小；若该随机数小于ρspo，则在该网格单元内注入合成粒子组；反之则跳过该网格单元。
21、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述注入准则完成所述合成粒子组的注入，诱导小尺度湍流结构的生成，包括：
22、对全局的合成粒子组的信息进行通信，计算各网格单元的扰动体积力，添加入n-s方程进行流场计算，得到最终流场结果。
23、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算各网格单元的扰动体积力，包括：
24、将rans模拟中可被解析的部分湍动能在合成粒子组生成周期内置换扰动速度，从而构造出剪切层法向速度v’。
25、可被解析的湍动能为：
26、
27、则合成粒子组引起的对应法向体积力的幅值为：
28、
29、结合合成粒子组的核函数，可得最终各网格单元所受的合成粒子组的体积力为：
30、
31、为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种基于合成粒子组的非分区湍流生成装置，包括以下模块：
32、获取模块，用于确定合成粒子组的基本特征；
33、设定模块，用于设定所述合成粒子组的注入准则，包括生成位置和注入算法；
34、注入模块，用于根据所述注入准则完成所述合成粒子组的注入，诱导小尺度湍流结构的生成。
35、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述获取模块，还用于：
36、确定所述合成粒子组的形状、特征尺度、密度，其中，
37、所述形状由核函数描述，为近似高低速条带流动单元；
38、所述特征尺度lspo定义为：
39、lspo＝δmax+α(lrans-δmax),α～υ(0,1)，
40、其中，δmax为网格尺度，由计算网格确定；lrans为湍流尺度，由当地流场得到；α为位于0到1均匀分布的随机数；
41、所述密度定义为：
42、其中，δt为计算的时间步长，用户可自行设置；vcell为网格单元的体积，由计算网格得到；τspo为合成粒子组的生存周期，τspo＝4.0/ω，ω为湍流频率，由当地流场确定，vspo为单个合成粒子组的体积。
43、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述设定模块，还用于：
44、设定所述合成粒子组的生成位置，具体地，通过当地流场确定的混合长度尺度lhybrid和湍流速度确定注入位置：
45、
46、其中，cu为常数，取cu＝0.04；
47、以及，采用拒绝/采样算法，包括对每一个物理时间步遍历每一个网格，在计算合成粒子组密度ρspo的同时产生一个位于0和1之间均匀分布的随机数α～υ(0,1)，然后该随机数与合成粒子组密度ρspo比较大小；若该随机数小于ρspo，则在该网格单元内注入合成粒子组；反之则跳过该网格单元。
48、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述设定模块，还用于：
49、对全局的合成粒子组的信息进行通信，计算各网格单元的扰动体积力，添加入n-s方程进行流场计算，得到最终流场结果；
50、其中，所述计算各网格单元的扰动体积力，包括：
51、将rans模拟中可被解析的部分湍动能在合成粒子组生成周期内置换扰动速度，从而构造出剪切层法向速度v’；
52、可被解析的湍动能为：
53、
54、则合成粒子组引起的对应法向体积力的幅值为：
55、
56、结合合成粒子组的核函数，可得最终各网格单元所受的合成粒子组的体积力为：
57、
58、为达上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理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，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如上所述的一种基于合成粒子组的非分区湍流生成方法。
59、本发明实施例提出的基于合成粒子组的非分区湍流生成方法，根据一种多尺度涡模型构造多尺度的湍流扰动，并提出相应特定的扰动施加准则，达到非分区、随机、无需人为干预的诱导生成三维湍流边界层的作用，以解决现有入口湍流生成方法无法应用于复杂三维飞行器流动数值预测的问题，突破技术瓶颈，并提高复杂三维飞行器流动的数值预测精度，为真实飞行器的结构设计等提供重要支撑。
1.一种基于合成粒子组的非分区湍流生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定合成粒子组的基本特征，包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述设定所述合成粒子组的注入准则，包括：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述注入准则完成所述合成粒子组的注入，诱导小尺度湍流结构的生成，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算各网格单元的扰动体积力，包括：
6.一种基于合成粒子组的非分区湍流生成装置，其特征在于，包括以下模块：
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述获取模块，还用于：
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述设定模块，还用于：
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述设定模块，还用于：
10.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理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，所述处理器执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-5中任一所述的基于合成粒子组的非分区湍流生成方法。
