(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211254878.9 (22)申请日 2022.10.13 (71)申请人 西北工业大 学 地址 710072 陕西省西安市碑林区友谊西 路127号 (72)发明人 刘沙　杨思睿　钟诚文　卓丛山　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 张宇鸽 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种模拟临近空间飞行器气动力数据的方 法、 系统、 装置及 介质 (57)摘要 本发明公开了一种模拟临近空间飞行器气 动力数据的方法、 系统、 装置及介质， 包括： 通过 竞争权重机制获取物理网格中未参与碰撞的粒 子， 并统计未参与碰撞粒子流入相邻物理网格的 数量， 获取粒子求解器的通量； 基于相邻物理网 格之间的宏观 通量和粒子求解器的通量， 获取相 邻物理网格 之间的界面总通量； 并对物理网格中 的物理量进行更新， 基于物理网格中的物理量得 到流场密度； 判断相邻时间步所得到的流场密度 是否小于所设定的阈值； 若是， 输出模拟流场和 流动特征参数。 本发明准确模拟临近空间飞行器 流场存在的跨流域流动问题； 对临近空间飞行器 进行气动外形模拟并获得其气动力数据； 解决现 有模拟方法不能兼顾计算效率和计算精度的问 题。 权利要求书3页 说明书8页 附图5页 CN 115422858 A 2022.12.02 CN 115422858 A 1.一种模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特 征在于， 包括： 步骤1： 获取飞行器外形几何参数和气体流动信息； 基于所获取的飞行器外形几何参数 和气体流动信息， 构建飞行器的物理网格； 步骤2： 基于纳维 ‑斯托克斯求解器， 获取相邻物理网格之间的宏观通 量； 步骤3： 基于竞争权 重机制， 对物理网格中的粒子进行处 理， 获取未参与碰撞粒子； 步骤4： 基于未参与碰撞粒子的自由迁移， 统计未参与碰撞粒子流入相邻物 理网格的数 量， 获取粒子求解器的通 量； 步骤5： 基于相邻物 理网格之间的宏观通量和粒子求解器的通量， 获取相邻物理网格之 间的界面总通 量； 步骤6： 基于相邻物理网格之间的界面总通 量， 对物理网格中的物理量进行 更新； 步骤7： 基于物理网格中的物理量得到流场密度； 将步骤2和步骤6视为一个时间步， 重 复步骤2到步骤6， 直至相邻时间步所 得到的流场密度小于所设定的阈值； 步骤8： 输出模拟流场和流动特 征参数。 2.根据权利要求1所述的模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特征在于， 在获取 相邻物理网格之间的宏观通 量之前， 还 包括： 基于气体的流动特性设置初始流场、 状态参数和边界条件； 所述气体的流动特性包含气体种类、 流动速度、 温度和密度； 状态参数包含代码里对应 的无量纲速度、 温度、 密度、 努森 数、 比热比、 热度系数； 边界条件包含入口边界、 出口边界和 固壁边界。 3.根据权利要求2所述的模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特征在于， 所述基 于竞争权 重机制， 对物理网格中的粒子进行处 理， 获取未参与碰撞粒子， 具体为： 基于竞争权 重机制， 获取参与碰撞粒子 权重系数； 基于物理网格中粒子数量和参与碰撞粒子权重系数， 获取物理网格中参与碰撞粒子的 数量； 基于物理网格中粒子数量和参与碰撞粒子的数量， 获取 未参与碰撞粒子 。 4.根据权利要求3所述的模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特征在于， 所述基 于竞争权 重机制， 获取参与碰撞粒子 权重系数， 具体为： 其中： f为粒子速度分布函数， g为平衡态粒子速度分布函数， x为粒子坐标， ξ为粒子速 度， cvis为尺度相关系数， f(x， ξ， t)表示粒子的碰撞和输运的权重系数； f(x ‑Δξt， ξ， 0)为自 由迁移粒子 速度分布函数， 为参与碰撞粒子 速度分布函数； 其中， cvis、 wfree和whydro分别为： 权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115422858 A 2其中， ωfree为粒子求解器权重， ωhydro为纳维‑斯托克斯求解器权重， Δt为时间步， τ为 松弛时间。 5.根据权利要求4所述的模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特征在于， 所述基 于未参与碰撞粒子的自由迁移， 统计未参与碰撞粒子流入相邻物理网格的数量， 获取粒子 求解器的通 量； 具体为： 所述相邻物理网格之间存在分界面； 将穿过分界面的未参与碰撞粒子的数量进行统 计， 得到粒子求 解器的通 量。 6.根据权利要求5所述的模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特征在于， 所述相 邻物理网格之间的宏观通量和粒子求解器的通量， 获取相邻物理网格之间的界面总通量； 具体为： 将相邻物理网格之间的宏观通量与参与碰撞粒子权重系数相乘后， 所获取的结果与 粒 子求解器的通 量相加， 获取相邻物理网格之间的界面总通 量。 7.根据权利要求6所述的模拟临近空间飞行器气动力数据的方法， 其特征在于， 所述相 邻时间步之间的流场密度； 具体为： S1:获取n时间步的流场密度与n+1时间步的流场密度， 将n时间步的流场密度与n+1时 间步的流场密度求和并取平均值； S2:获取n+2时间步的流场密度， 将n时间步的流场密度、 n+1时间步的流场密度和n+2时 间步的流场密度， 求和并取平均值； S3:获取n+3时间步的流场密度， 将n时间步的流场密度、 n+1时间步的流场密度、 n+2时 间步的流场密度和n+3时间步的流场密度， 求和并取平均值； 不断重复时间步， 直至所求得的平均值小于所设定的阈值； 其中， n的取值 为人为选 定。 8.一种模拟临近空间飞行器气动力数据的系统， 其特 征在于， 包括： 构建模块， 所述构建模块用于获取飞行器外形几何参数和气体流动信息； 基于所获取 的飞行器外形几何参数和气体流动信息， 构建飞行器的物理网格； 第一获取模块， 所述第一获取模块基于纳维 ‑斯托克斯求解器， 获取相邻物 理网格之间 的宏观通 量； 第二获取模块， 所述第二获取模块基于竞争权重机制， 对物理网格 中的粒子进行处理， 获取未参与碰撞粒子； 第三获取模块， 所述第三获取模块基于未参与碰撞粒子的自由迁移， 统计未参与碰撞 粒子流入相邻物理网格的数量， 获取 粒子求解器的通 量； 第四获取模块， 所述第四获取模块基于相邻物理网格之间的宏观通量和粒子求解器的 通量， 获取相邻物理网格之间的界面总通 量； 更新模块， 所述更新模块基于相邻物理网格之间的界面总通量， 对物理网格中的物理 量进行更新； 判断模块， 所述判断模块基于物理网格中的物理量得到流场密度； 直至相邻时间步所 得到的流场密度小于所设定的阈值； 输出模块， 所述输出模块用于 输出模拟流场和流动特 征参数。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115422858 A 3