基于紧支概念径向基函数的多场耦合数据传递方法改进研究

The Fluid-Structure-Thermal coupling effect problem should be considered when performing the aeroheating and thermal protection detail design of new type hypersonic vehicles. To solve this problem，this project intends to conduct the improvement study of data transfer methods based on radial basis function(RBF) in multiple field coupling problems. By the combination of theoretical analysis and numerical simulation and under the guide of the theme of bidirectional data transfer between unmatched grids in Fluid-Structure-Thermal interaction simulations, this project will introduce the radial basis functions into multiple field simulation data transfer problems with the satisfaction of coupling problem characteristics, variable transfer kinematics/dynamics continuation ,energy conservation and RBF characteristics. Emphasis will be put on the accuracy , efficiency and conservation problems when using compact support RBFs because of the anisotropies of mesh geometry characteristic, and physical quantity characteristic, and the improved data transfer modeling and improved method will be established based on the RBFs. By the building of high accuracy and efficiency data transfer methods between unmatched grids, the belt within different field solvers will be structured, and the numerical simulation of 3D Fluid-Structure-Thermal coupling problems of hypersonic vehicles will be completed, thus can provide theoretical foundation and technique support for the improvement and accurate performance assessment of new type thermal protection system design.

本课题针对新型高超声速飞行气动热与热防护精细化设计中必须综合考虑气动力/热/结构多场耦合效应的问题，拟开展基于径向基函数实现多场耦合数值计算中数据传递的改进方法研究。采用理论分析与数值结合为主要手段，以气动力/热/结构多场耦合数值计算中复杂外形不匹配网格双向数据传递为主题，基于多场耦合计算特点、变量传递运动学/动力学连续及能量守恒原则、径向基函数传递特性等基本理论，将径向基函数引入多场耦合数据传递领域。重点针对径向基函数紧支化过程中由于网格尺度、物理量分布各向异性特征及数据传递精度、效率及守恒性需求所带来的问题进行研究，建立基于径向基函数的数据传递模型及改进的数据传递方法。通过精准高效的不匹配网格间数据传递方法的建立，为不同求解器下的多物理场耦合搭建桥梁，实现高超声速飞行器三维全场力/热/结构一体化耦合数值计算，为新型热防护系统的设计和改进及防热性能的准确评估提供理论依据和技术支撑。

开展多物理场不匹配网格间高效而精准的数据传递方法研究，对建立三维全机高超声速飞行器一体化耦合计算方法，实现更精准的热环境预测及新型热防护系统设计有着十分重要的意义。.本课题针对新型高超声速飞行气动热与热防护精细化设计中必须综合考虑气动力/热/结构多场耦合效应的问题，开展了基于紧支径向基函数实现多场数据传递的改进方法研究。.在本项目中基于多场耦合计算特点、变量传递运动学/动力学连续及能量守恒原则、径向基函数传递特性等基本理论，建立了基于紧支径向基函数的多场耦合数据传递框架，开展了网格疏密、紧支半径、物理量分布特征等对紧支基函数插值效率及精度的影响规律研究。针对径向基函数紧支化过程中由于网格尺度、物理量分布各向异性特征引起的数据传递精度、效率问题，提出了一种基于局部物理量梯度对径向基三方向权重进行自适应修正的数据传递新方法，大大提升了紧支径向基函数的插值精度和效率；同时基于局部网格几何尺度方向与物理量分布特征不一致引起的效率及守恒性问题，提出了一种基于主成分分析的局部几何特征提取修正方法，进一步提高了插值的精度及守恒性。.基于公开文献试验数据与多场耦合风洞试验数据，对本项目建立的改进数据传递方法在实际耦合问题计算中长时间高频次数据传递中的适用性及可靠性进行了验证。.本项目通过更精准高效的多场耦合数据传递方法的建立，为不同求解器下的多物理场耦合搭建桥梁，有力支撑了热环境热响应耦合计算平台的开发，可为实现高超声速飞行器全场力/热/结构一体化耦合数值计算及飞行器的气动力热耦合设计提供理论依据和技术支撑。