CN115935772A - 一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，包括步骤：对外部油箱模型离散载入及边界条件配置；初始化空间分布模型，定义出入缓冲层；动态创建/移除缓冲层粒子，构建邻近粒子链表结构；计算多相耦合作用并更新粒子物理属性与位置；对粒子信息进行特征提取，生成当前时刻数据文件；计算下一时刻数据，直至模拟终止；将各时刻数据可视化展示燃油状态与惰化动态过程；对燃油状态及惰化性能进行分析评估。本发明具有通用性强、计算效率高、仿真精度可靠的优点，可以满足复杂油箱结构与工况条件下的飞机油箱惰化过程仿真需要。

Description

一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法

技术领域

本发明属于飞机燃油数值分析领域，具体涉及一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法。

背景技术

飞机燃油箱惰化技术是通过将惰性气体充入燃油箱的气相空间，减少空间氧气体积分数至安全范围以内的技术，用以降低飞机采用燃油综合热管理方法后引起的油箱起火***概率，使其始终处于稳定状态。随着战斗机飞行速度及性能的提高，其所带来的气动加热与电子设备热负荷也在不断增大，这对惰化***的设计提出了更高的要求。

目前国内外研究人员在惰化***设计初期阶段的研究方面，主要采用基于欧拉方法的有限体积法来进行计算流体动力学数值模拟，例如常用的商用软件ANSYS Fluent、CFX等。该算法对流体的欧拉控制方程在单元控制体内积分后离散求解，利用气体压力、隔舱压差、连通关系、气体入口流量以及排气孔位置等物理信息构建复杂数学模型，迭代计算制氮惰化过程。

传统的惰化过程仿真方法在面临复杂边界条件与多相耦合关系时并不适用。基于有限体积法的数值模型依赖于网格划分方式与质量，对油箱隔舱连通方式、油箱内附件布局以不同充油比例缺乏考虑，针对不同油箱结构需要重置数学模型，难以同时兼顾计算效率与精度；此外由于油箱内部流体分布的不连续性与随机性，控制体积单元不能反映流体表面大形变与气液固多相耦合作用，对结果验证与可视化分析造成了较大误差。

发明内容

为了克服上述传仿真模型的缺点，本发明提供了一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，在基于无网格的光滑粒子动力学理论的基础上，提出了气液固多相耦合计算框架，建立飞机油箱惰化过程动态变化模型，提高了数值计算精度与效率，实现全过程可视化仿真。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，包括以下步骤：

步骤1)对外部油箱模型离散载入及边界条件配置；

步骤2)初始化空间分布模型，定义出入缓冲层；

步骤3)动态创建/移除缓冲层粒子，构建邻近粒子链表结构；

步骤4)计算多相耦合作用并更新粒子物理属性与位置；

步骤5)对粒子信息进行特征提取，生成当前时刻数据文件；

步骤6)重复步骤3)至步骤5)，计算下一时刻数据，直至模拟终止；

步骤7)将各时刻数据可视化展示燃油状态与惰化动态过程；

步骤8)对燃油状态及惰化性能进行分析评估。

本发明进一步的改进在于，所述步骤1)，对外部油箱模型离散载入及边界条件配置的方法为：

步骤1.1)，对CATIA或CAD三维设计程序生成的标准油箱对象进行预处理，拆分提取三角面片几何特征，精简油箱模型信息量来平衡精度与加载效率；

步骤1.2)，利用外部油箱对象的轮廓形状与拓扑结构，在设定分辨率的笛卡尔网格中匹配离散节点位置，划分流体可行性区域；

步骤1.3)，将离散节点使用平移、缩放或旋转几何变换改变油箱对象的分布位置；

步骤1.4)，配置模型边界条件，定义仿真空间范围并赋予固相粒子关键属性，包括参考密度、人工粘度和杨氏模量，创建固相边界粒子。

本发明进一步的改进在于，所述步骤2)，初始化空间分布模型，定义出入缓冲层的方法为：

步骤2.1)，利用XML可扩展标记语言存储气-液相流体属性以及***执行运算的参数；

步骤2.2)，设置初始充油比及油面角度，定义燃油分布空间，创建不同类型的气-液相流体静态粒子；

步骤2.3)，在油箱内部输油管口、惰化气体进出口位置定义开放边界缓冲层，绑定气-液相流体属性，将惰化***的燃油消耗量和惰化气体流量工作指标转换为开放边界缓冲层的流速数据；

步骤2.4)输出流体初始状态信息，多相耦合模型初始化完成。

本发明进一步的改进在于，所述步骤3)，动态创建/移除缓冲层粒子，构建邻近粒子链表结构的方法为：

步骤3.1)，根据开放边界缓冲层的配置信息与流速数据，计算当前时刻各缓冲层进/出粒子数；

步骤3.2)，在缓冲层入口区域创建新粒子并赋予相应流体属性，在缓冲层出口区域移除流出粒子；

步骤3.3)，将仿真区域通过光滑核长度划分为大量网格并依序编号，根据流体粒子所在网格位置建立链表结构。

本发明进一步的改进在于，所述步骤4)，计算多相耦合作用并更新粒子物理属性与位置的方法为：

步骤4.1)，利用邻近粒子链表定位粒子所处网格的相邻网格，在相邻网格中搜索该粒子影响域范围内的所有粒子序号；

步骤4.2)，通过CUDA并行计算架构执行运算，利用光滑核函数对多相耦合状态方程与控制方程求解；

步骤4.3)，将流体可行性区域内粒子最大速度与加速度匹配自适应时间步长，平衡数值精确度与迭代效率；

步骤4.4)，通过校正流体表面位移，防止计算产生粒子非自然空洞并保持数值稳定性；

步骤4.5)，利用Verlet时间步长积分对粒子的物理属性和位置进行迭代更新，物理属性包括密度、压力、加速度与速度；

步骤4.6)，判断粒子位置是否在流体可行性区域范围内，对计算逸出的粒子进行移除。

本发明进一步的改进在于，所述步骤5)，对粒子数据进行特征提取，生成当前时刻数据文件的方法为：

步骤5.1)，将运算结果数据集从CUDA设备端取回，以特征值划分不同粒子类型；

步骤5.2)，利用OpenMP设计多线程提取流体粒子属性与位置信息，创建必要组元；

步骤5.3)，利用二进制格式容器生成当前时刻数据文件，并保存到外部存储设备，便于快速读取且没有精度损失。

本发明进一步的改进在于，所述步骤7)，将各时刻数据可视化展示燃油状态与惰化动态过程的方法为：

步骤7.1)，将各时刻数据文件转换为用于粒子可视化分析的VTK格式文件，以时间序列的形式存储至文件夹；

步骤7.2)，利用流体粒子空间分布拟合生成三维数据等值面，实现流体自由表面的绘制，并同样以时间序列的形式存储为VTK格式文件；

步骤7.3)，利用时间序列对应关系，将流体粒子或自由表面的VTK文件导入三维交互场景，加载相应帧的粒子序号、速度、加速度、密度和压力粒子数据；

步骤7.4)，通过缩放、移动和旋转图形操作调整渲染视角，利用Cycles渲染引擎进行着色器编辑配置，根据模拟步骤的推进更新渲染对象并以设定帧速率的动画输出，得到展示仿真过程的图像视频文件。

本发明进一步的改进在于，所述步骤8)，对燃油状态及惰化性能进行分析评估的方法为：

步骤8.1)，利用燃油粒子数据计算各时刻燃油所占油箱体积和余油量，生成惰化过程的多隔舱燃油消耗曲线，分析燃油流通性能；

步骤8.2)，计算各时刻油箱多隔舱重心位置，生成惰化过程的重心分布变化曲线，评估惰化过程中燃油晃动对飞机操控性能的影响；

步骤8.3)，利用惰性气体粒子数据计算该时刻油箱含氧量，生成惰化过程的平均氧体积分数曲线，通过粒子运动方式确定隔舱间的流动方向及体积流量分配情况；

步骤8.4)，依据安全氧体积分数范围标准，评估燃油箱内氧体积分数的空间分布和平均氧体积分数随时间的变化规律，找出燃油箱内氧气质量堆积区域，对惰化***进行优化设计，使其能够适用于复杂的油箱结构和气体流通方式，从而提高燃油箱的防火抑爆能力。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，基于无网格数值计算的光滑粒子动力学理论将油箱内仿真区域划分为海量互相作用的粒子组合，避免了传统欧拉数值计算方法网格划分操作，提高了固体边界与流体表面形变处理精度。同时，通过建立邻近粒子链表结构搜索各粒子影响域范围，使用CUDA并行计算架构对状态方程与控制方程求解，实现了对粒子间相互作用的高效准确计算。

本发明提出的对气液固多相耦合作用的计算框架，将气体的背景压力项与内聚力项考虑到单一流体状态方程中，解决了油箱抑爆***研究领域典型的惰性气体-燃油耦合问题；通过开放边界缓冲层的方法实现了惰性气体进出与燃油高度变化；通过相界面动力学计算、自由表面位移校正，防止粒子产生非自然空洞并保持数值稳定；通过仿真可视化方法，为惰化***性能评估提供了可靠依据。

本发明具有通用性强、计算效率高、仿真精度可靠的优点，可以满足复杂油箱结构与工况条件下的飞机油箱惰化过程仿真需要，其方法对计算流体动力学领域多相耦合仿真问题同样具有指导意义。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的展示惰化动态过程流程示意图。

图3为本发明的油箱内平均氧体积分数图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。需要声明的是，所描述的实施例仅仅是本发明的一种优选实施例，并非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，包括以下步骤：

1、对外部油箱模型离散载入及边界条件配置。

1.1)，对外部载入的标准STL油箱模型进行预处理，拆分提取三角面片几何特征，精简油箱模型信息量；

1.2)，利用飞机油箱对象的轮廓形状与拓扑结构，在设定分辨率(节点间距为0.01m)的笛卡尔网格中匹配离散节点位置，划分流体可行性区域；

1.3)，将离散节点使用平移、缩放或旋转等几何变换改变油箱对象的分布位置；

1.4)，配置模型边界条件，定义仿真空间范围为5.0m×5.0m×5.0m，赋予固体粒子关键常量参数——参考密度为2820kg/m³、人工粘度为0.01、杨氏模量为200GPa等属性，创建油箱边界粒子。

2、初始化空间分布模型，定义出入缓冲层。

2.1)，将气-液相流体属性及***执行运算的参数以XML可扩展标记语言存储，气-液相流体属性如表1所示，***执行运算的参数如下：光滑核长度系数为0.9，CFL收敛条件判断数为0.2，最大仿真时间为20min，中间过程文件的输出间隔时间为0.03s，氧体积分数目标为12％。

表1气-液相流体属性表

2.2)，设置初始充油比为50％、俯仰角为6°，求解燃油水平高度，划分燃油与气体空间，创建不同类型的空气-燃油静态粒子；

2.3)，在油箱内部输油管口、惰化气体进出口位置定义开放边界缓冲层，绑定气-液相流体属性，如表2所示。将惰化***的燃油消耗量、惰化气体流量等工作指标转换为开放边界缓冲层的流速数据；

表2开放边界缓冲层表

2.4)输出空间分布模型与流体初始状态信息(***配置参数、开放边界缓冲层信息、各相流体粒子数量)，多相耦合模型初始化完成。

3、动态创建/移除缓冲层粒子，构建邻近粒子链表结构。

3.1)，根据开放边界缓冲层的配置信息与流速数据，计算当前时刻各缓冲层进/出粒子数；

3.2)，在缓冲层入口区域创建新粒子并赋予相应流体属性，在缓冲层出口区域移除流出粒子；

3.3)，将仿真区域通过光滑核长度划分为大量网格并依序编号，根据流体粒子所在网格位置建立链表结构；

4、计算多相耦合作用并更新粒子物理属性与位置。

4.1)，利用邻近粒子链表定位粒子所处网格的相邻网格，在相邻网格中搜索该粒子影响域范围内的所有粒子序号；

4.2)，通过CUDA并行计算架构分别对所有粒子执行运算，设置BlockSize为256，利用光滑核函数对多相耦合状态方程，与控制方程求解；

4.3)，将流体可行性区域内粒子最大速度与加速度匹配自适应时间步长(满足t<h/Vmax)，平衡数值精确度与迭代效率；

4.4)，通过校正流体表面位移，防止计算产生粒子非自然空洞并保持数值稳定性；

4.5)，利用Verlet时间步长积分对粒子的物理属性(密度、压力、加速度与速度)和位置进行迭代更新；

4.6)，判断粒子位置是否在流体可行性区域范围内，对计算逸出的粒子进行移除。

5)，对粒子信息进行特征提取，生成当前时刻数据文件。

5.1)，将运算结果数据集从NVIDIA GeForce RTX 3090设备中取回，以特征值划分氮气粒子、空气粒子与燃油粒子；

5.2)，利用OpenMP设计多线程提取流体粒子属性与位置信息，创建密度、位置、速度、加速度、压力组元；

5.3)，利用二进制格式容器生成当前时刻数据文件，并保存到磁盘设备，便于快速读取且没有精度损失。

6)，在当前时刻进行终止判断，若迭代时间达到最大模拟时间进入步骤7)，否则重复步骤3)至步骤5)，进行下一时刻的数据计算；

7)，将各时序刻数据可视化展示燃油状态与惰化动态过程(图2)。

7.1)，将各时刻数据文件转换为用于粒子可视化分析的VTK格式文件，以时间序列的形式存储至文件夹；

7.2)，利用中间过程文件的流体粒子空间分布拟合生成三维数据等值面，实现流体自由表面的绘制，并同样以时间序列的形式存储为VTK格式文件；

7.3)，利用时间序列对应关系，将空气粒子文件、氮气粒子文件以及燃油自由表面文件导入三维交互场景，加载相应帧的粒子序号、速度、加速度、密度、压力等粒子数据；

7.4)，通过缩放、移动、旋转等图形操作调整渲染视角，利用Cycles渲染引擎进行着色器编辑配置，根据模拟步骤的推进更新渲染对象按24fps的帧速率进行动画输出，得到展示仿真过程的图像视频文件。

8)，燃油状态及惰化性能进行分析评估。

8.1)，利用燃油粒子数据计算各时刻燃油所占油箱体积、剩余油量，生成惰化过程的多隔舱燃油消耗曲线，分析燃油流通性能；

8.2)，计算各时刻油箱多隔舱重心位置，生成惰化过程的重心分布变化曲线，评估惰化过程中燃油晃动对飞机操控性能的影响；

8.3)，利用惰性气体粒子数据计算该时刻油箱含氧量，生成惰化过程的平均氧体积分数曲线，通过粒子运动方式确定隔舱间的流动方向及体积流量分配情况；

8.4)，依据安全氧体积分数范围标准，评估燃油箱内氧体积分数的空间分布和平均氧体积分数随时间的变化规律(图3)，找出燃油箱内氧气质量堆积区域，对惰化***进行优化设计，使其能够适用于复杂的油箱结构和气体流通方式，从而提高燃油箱的防火抑爆能力。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)对外部油箱模型离散载入及边界条件配置；

步骤2)初始化空间分布模型，定义出入缓冲层；

步骤3)动态创建/移除缓冲层粒子，构建邻近粒子链表结构；

步骤4)计算多相耦合作用并更新粒子物理属性与位置；

步骤5)对粒子信息进行特征提取，生成当前时刻数据文件；

步骤6)重复步骤3)至步骤5)，计算下一时刻数据，直至模拟终止；

步骤7)将各时刻数据可视化展示燃油状态与惰化动态过程；

步骤8)对燃油状态及惰化性能进行分析评估。

2.根据权利要求1所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤1)，对外部油箱模型离散载入及边界条件配置的方法为：

步骤1.1)，对CATIA或CAD三维设计程序生成的标准油箱对象进行预处理，拆分提取三角面片几何特征，精简油箱模型信息量来平衡精度与加载效率；

步骤1.2)，利用外部油箱对象的轮廓形状与拓扑结构，在设定分辨率的笛卡尔网格中匹配离散节点位置，划分流体可行性区域；

步骤1.3)，将离散节点使用平移、缩放或旋转几何变换改变油箱对象的分布位置；

步骤1.4)，配置模型边界条件，定义仿真空间范围并赋予固相粒子关键属性，包括参考密度、人工粘度和杨氏模量，创建固相边界粒子。

3.根据权利要求2所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤2)，初始化空间分布模型，定义出入缓冲层的方法为：

步骤2.1)，利用XML可扩展标记语言存储气-液相流体属性以及***执行运算的参数；

步骤2.2)，设置初始充油比及油面角度，定义燃油分布空间，创建不同类型的气-液相流体静态粒子；

步骤2.3)，在油箱内部输油管口、惰化气体进出口位置定义开放边界缓冲层，绑定气-液相流体属性，将惰化***的燃油消耗量和惰化气体流量工作指标转换为开放边界缓冲层的流速数据；

步骤2.4)输出流体初始状态信息，多相耦合模型初始化完成。

4.根据权利要求3所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤3)，动态创建/移除缓冲层粒子，构建邻近粒子链表结构的方法为：

步骤3.1)，根据开放边界缓冲层的配置信息与流速数据，计算当前时刻各缓冲层进/出粒子数；

步骤3.2)，在缓冲层入口区域创建新粒子并赋予相应流体属性，在缓冲层出口区域移除流出粒子；

步骤3.3)，将仿真区域通过光滑核长度划分为大量网格并依序编号，根据流体粒子所在网格位置建立链表结构。

5.根据权利要求4所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤4)，计算多相耦合作用并更新粒子物理属性与位置的方法为：

步骤4.1)，利用邻近粒子链表定位粒子所处网格的相邻网格，在相邻网格中搜索该粒子影响域范围内的所有粒子序号；

步骤4.2)，通过CUDA并行计算架构执行运算，利用光滑核函数对多相耦合状态方程与控制方程求解；

步骤4.3)，将流体可行性区域内粒子最大速度与加速度匹配自适应时间步长，平衡数值精确度与迭代效率；

步骤4.4)，通过校正流体表面位移，防止计算产生粒子非自然空洞并保持数值稳定性；

步骤4.5)，利用Verlet时间步长积分对粒子的物理属性和位置进行迭代更新，物理属性包括密度、压力、加速度与速度；

步骤4.6)，判断粒子位置是否在流体可行性区域范围内，对计算逸出的粒子进行移除。

6.根据权利要求5所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤5)，对粒子数据进行特征提取，生成当前时刻数据文件的方法为：

步骤5.1)，将运算结果数据集从CUDA设备端取回，以特征值划分不同粒子类型；

步骤5.2)，利用OpenMP设计多线程提取流体粒子属性与位置信息，创建必要组元；

步骤5.3)，利用二进制格式容器生成当前时刻数据文件，并保存到外部存储设备，便于快速读取且没有精度损失。

7.根据权利要求6所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤7)，将各时刻数据可视化展示燃油状态与惰化动态过程的方法为：

步骤7.1)，将各时刻数据文件转换为用于粒子可视化分析的VTK格式文件，以时间序列的形式存储至文件夹；

步骤7.2)，利用流体粒子空间分布拟合生成三维数据等值面，实现流体自由表面的绘制，并同样以时间序列的形式存储为VTK格式文件；

步骤7.3)，利用时间序列对应关系，将流体粒子或自由表面的VTK文件导入三维交互场景，加载相应帧的粒子序号、速度、加速度、密度和压力粒子数据；

步骤7.4)，通过缩放、移动和旋转图形操作调整渲染视角，进行着色器编辑配置，根据模拟步骤的推进更新渲染对象并以设定帧速率的动画输出，得到展示仿真过程的图像视频文件。

8.根据权利要求7所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，步骤7.4)，利用Cycles渲染引擎进行着色器编辑配置。

9.根据权利要求7所述的一种基于气液固光滑粒子的飞机油箱惰化过程仿真方法，其特征在于，所述步骤8)，对燃油状态及惰化性能进行分析评估的方法为：

步骤8.1)，利用燃油粒子数据计算各时刻燃油所占油箱体积和余油量，生成惰化过程的多隔舱燃油消耗曲线，分析燃油流通性能；

步骤8.2)，计算各时刻油箱多隔舱重心位置，生成惰化过程的重心分布变化曲线，评估惰化过程中燃油晃动对飞机操控性能的影响；

步骤8.3)，利用惰性气体粒子数据计算该时刻油箱含氧量，生成惰化过程的平均氧体积分数曲线，通过粒子运动方式确定隔舱间的流动方向及体积流量分配情况；

步骤8.4)，依据安全氧体积分数范围标准，评估燃油箱内氧体积分数的空间分布和平均氧体积分数随时间的变化规律，找出燃油箱内氧气质量堆积区域，对惰化***进行优化设计，使其能够适用于复杂的油箱结构和气体流通方式，从而提高燃油箱的防火抑爆能力。

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