一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法

摘要

本发明提供一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，属于飞行器气动模拟分析技术领域，解决了传统方法仅针对单一工程的局限问题；包括：S1、依据物理机制与流动的关系，确定耦合参数；S2、依据物理机制的作用区域，划分计算网格分区，并记录对应求解器；S3、依据物理机制与流动的耦合作用，对计算网格分区进行分层；S4、核心层以显隐混合方式进行数值迭代；S5、耦合层采用分类策略进行数值迭代；S6、无耦合层依据间隔设定进行数值迭代；S7、若各层迭代收敛，即得到用于高超声速飞行器设计评估的多学科数据；本发明充分考虑了分区、分层设计，方法应用具有灵活方便、高超气动多学科通用性强和高效稳定的特点。

权利要求

1.一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤S1、依据多种物理机制与流动耦合的强弱以及多种物理机制的特征时间差异，确定并输入耦合参数；耦合参数包括：耦合强度因子 、特征时间系数 和解耦间隔处理步数 ；其中， ； 为多种物理机制的种类数；

耦合强度因子 的大小用于表征物理机制对流动的影响程度强弱，其变化范围为0至

1，并将耦合强度因子 等于0的情况确定为对应物理机制与流动的仿真之间是无耦合关系；

特征时间系数 用于表征物理机制特征时间尺度与流动特征时间尺度的比率，并确定物理机制迭代与流场迭代的相对步数；在相同时间段内，若特征时间系数 越大，则对应物理机制迭代步数相比于流动迭代步数越少；

解耦间隔处理步数 应用于解耦求解器，其含义为每隔 步运行一次解耦求解器；解耦求解器是与流动解耦的物理机制对应的求解器；

步骤S2、依据多种物理机制的作用区域差异，划分计算网格，得到多个计算网格分区；

将求解器记录于每个计算网格分区中；

步骤S3、依据多种物理机制与流动的耦合作用，对每个计算网格分区进行分层；计算网格分区被划分为核心层、耦合层和无耦合层；

每个计算网格分区均包括核心层，核心层用于运行流动求解器，模拟高超声速飞行器的高温非平衡流动，为多学科耦合模拟提供基础流场数据；

在计算网格分区对应的多种物理机制中，将与流动耦合作用物理机制对应的耦合求解器列入耦合层中；耦合层中的物理机制对流动的影响以源项形式在流动求解器中表现；在数值迭代过程中，实现耦合求解器与流动求解器的共同迭代；

在计算网格分区对应的多种物理机制中，将与流动无耦合作用的物理机制列入无耦合层中；无耦合层中的物理机制的计算，通过解耦求解器，在流动数值模拟完成或达到相对稳定阶段时进行，作为流动模拟结果或阶段结果的后置处理计算；

判别每种物理机制是否与流动耦合的方式为：预设耦合判别参数 ，依据每种物理机制对应的耦合强度因子 ，若 ，即判别对应物理机制与流动耦合作用，反之则无耦合作用；

在步骤S4开始前，进行流动及多种物理机制的数值模拟初始化过程，设定各类物理场的初始参数和边界条件；

步骤S4、针对核心层，以显隐混合方式进行当前迭代步的数值迭代；在核心层进行流动求解器的第 步迭代，为当前迭代步；耦合源项经过强弱判断后，被划分为强耦合源项和弱耦合源项；强耦合源项采用隐式时间离散处理，弱耦合源项采用显示时间离散处理；判别耦合源项为强耦合或弱耦合的方式为：预设强弱耦合判别参数 ，依据耦合源项对应物理机制的耦合强度因子 ，若 ，即判别为强耦合源项，反之则为弱耦合源项；

步骤S5、针对耦合层，采用分类策略，进行当前迭代步的数值迭代；在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个耦合求解器，依据对应物理机制的特征时间系数 的差异，应用分类迭代策略，完成耦合层中当前迭代步 的数值迭代过程；

分类迭代策略的具体过程为：预设同步迭代的特征时间尺度差异上限 ，依据对应物理机制的特征时间系数 ，对于 的耦合求解器，当 整除 时，迭代1次；对于的耦合求解器，每个迭代步进行多次该求解器的子迭代，子迭代次数为；对于 的耦合求解器，每个迭代步迭代1次该求解器；

的含义为对括号中参数值进行取整；

步骤S6、针对无耦合层，依据间隔设定，进行当前迭代步的数值迭代；在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个解耦求解器，依据对应物理机制的解耦间隔处理步数 ，若当前迭代步 整除 时，即运行对应的解耦求解器，完成无耦合层中当前迭代步 的数值迭代过程；

步骤S7、判断各层的迭代是否收敛；若收敛，即得到用于高超声速飞行器设计与评估的多学科数据，进而计算出飞行器气动数据。

2.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S2中，在每个划分得到的计算网格分区上，建立求解器链表；依据每个计算网格分区包含的物理机制类别，将每种物理机制对应的求解器，按照耦合作用的强弱顺序，依次记录于对应计算网格分区的求解器链表中。

3.根据权利要求1所述的一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，其特征在于：步骤S1中，多种物理机制包括：高超声速飞行器在飞行时，围绕流场高温非平衡流动所带来的力、热、光、电、磁工程问题所涉及的物理机制；

步骤S7中，完成核心层、耦合层和无耦合层的当前迭代步的数值迭代过程后，若迭代结果判断为未收敛，则进入步骤S4，开始下个迭代步的数值迭代，以进行循环迭代过程；当迭代结果判断为收敛，即得到包括气动力特性、气动热环境、等离子体环境、目标辐射特性、气动光学特性、电磁传输特性和电磁散射特性的多学科数据。

说明书

一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法

技术领域

[0001] 本发明涉及空气动力学、数值传热学、气体光谱学、电磁学和飞行器设计的技术领域，具体为一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法。

背景技术

[0002] 高超声速飞行器是国内外竞相发展的前沿科技，其中的高超声速飞行技术及其数值模拟方法，是包括探月飞船、火星探测器、高超声速飞机和天地往返运载器在内的飞行器研发的基础，因此也始终是国内外航空航天技术发展的前沿课题。

[0003] 由于高超声速飞行器可达到10倍声速以上的极高飞行速度，高速气流在飞行器头部及表面滞止，产生强烈的气动冲击和气动加热，带来严峻的“气动力/热”工程问题；流场激波后的气体温度可达到几千甚至上万开尔文，高温气体发生复杂的化学反应，生成包括分子、原子、离子和电子在内的等离子体成分，并沿高速流动方向往后扩展，形成等离子体鞘套，与电磁场相互作用产生电磁屏蔽与干扰，带来电磁传输（即通信黑障）、电磁隐身和电磁流动控制等“气动电磁”工程问题；高温气体分子和离子等粒子的振动能、电子能会产生不同程度的激发与跃迁，出现高温辐射现象，影响光学信号传输和飞行器辐射目标特性，引发“气动光学”和“气动辐射”工程问题。

[0004] 上述高超气动“力/热/光/电/磁”的工程问题，都是以高超声速流动为核心的多学科耦合模拟问题，其涉及的物理效应众多，物理方程和计算模型十分复杂。在耦合模拟过程中，不仅计算量大，模拟周期长，而且难以有效收敛，影响了计算精准度。

[0005] 现有技术存在较多高超气动方面的研究，也形成了一些较为成熟的数值算法。但是，传统的方法仅针对单一的工程问题，在耦合模拟策略的选取上，大多依赖于使用者的经验，导致方法扩展性受到限制。因此，本领域中仍需要发展出一种能更加灵活、通用、高效的高超气动“力/热/光/电/磁”多学科耦合模拟方法，这也是本领域技术人员的研究重点。

发明内容

[0006] 本发明的目的是解决传统方法仅针对单一工程而带来的扩展性限制问题，因此提出了一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法。此方法在数值计算网格域划分的基础上，从高超气动“力/热/光/电/磁”多种作用机制及其相互影响强弱出发，建立了以高超声速飞行器的高温非平衡流动模拟为核心层、以物理效应解耦模拟为无耦合层的多学科多层级耦合模拟方法；通过在不同层级上运用不同的模拟策略，本发明因此具有灵活方便、通用性强和高效稳定的特点。

[0007] 本发明采用了以下技术方案来实现目的：

[0008] 一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，包括如下步骤：

[0009] 步骤S1、依据多种物理机制与流动耦合的强弱以及多种物理机制的特征时间差异，确定并输入耦合参数；

[0010] 步骤S2、依据多种物理机制的作用区域差异，划分计算网格，得到多个计算网格分区；将求解器记录于每个计算网格分区中；

[0011] 步骤S3、依据多种物理机制与流动的耦合作用，对每个计算网格分区进行分层；计算网格分区被划分为核心层、耦合层和无耦合层；

[0012] 步骤S4、针对核心层，以显隐混合方式进行当前迭代步的数值迭代；

[0013] 步骤S5、针对耦合层，采用分类策略，进行当前迭代步的数值迭代；

[0014] 步骤S6、针对无耦合层，依据间隔设定，进行当前迭代步的数值迭代；

[0015] 步骤S7、判断各层的迭代是否收敛；若收敛，即得到用于高超声速飞行器设计与评估的多学科数据，进而计算出飞行器气动数据。

[0016] 具体的，步骤S1中，耦合参数包括：耦合强度因子 、特征时间系数 和解耦间隔处理步数 ；其中， ； 为多种物理机制的种类数。

[0017] 进一步的，步骤S3中，每个计算网格分区均包括核心层，核心层用于运行流动求解器，模拟高超声速飞行器的高温非平衡流动，为多学科耦合模拟提供基础流场数据；

[0018] 在计算网格分区对应的多种物理机制中，将与流动耦合作用物理机制对应的耦合求解器列入耦合层中；耦合层中的物理机制对流动的影响以源项形式在流动求解器中表现；在数值迭代过程中，实现耦合求解器与流动求解器的共同迭代；

[0019] 在计算网格分区对应的多种物理机制中，将与流动无耦合作用的物理机制列入无耦合层中；无耦合层中的物理机制的计算，通过解耦求解器，在流动数值模拟完成或达到相对稳定阶段时进行，作为流动模拟结果或阶段结果的后置处理计算。

[0020] 进一步的，步骤S4中，在核心层进行流动求解器的第 步迭代，为当前迭代步；耦合源项经过强弱判断后，被划分为强耦合源项和弱耦合源项；强耦合源项采用隐式时间离散处理，弱耦合源项采用显示时间离散处理；

[0021] 进一步的，步骤S5中，针对耦合层，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个耦合求解器，依据对应物理机制的特征时间系数的差异，应用分类迭代策略，完成耦合层中当前迭代步 的数值迭代过程；

[0022] 进一步的，步骤S6中，针对无耦合层，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个解耦求解器，依据对应物理机制的解耦间隔处理步数 ，若当前迭代步 整除 时，即运行对应的解耦求解器，完成无耦合层中当前迭代步的数值迭代过程。

[0023] 综上所述，由于采用了本技术方案，本发明的有益效果如下：

[0024] 1、本发明针对高超气动的工程问题，具有兼容性强的特点；可兼容多种物理机制，以高超流动模拟为核心的力、热、光、电、磁等多学科计算仿真过程，都可以应用本发明；

[0025] 2、本发明考虑了分区、分层设计；既考虑了各种物理机制发生区域的差异，从而减小不必要的冗余计算，又根据实际耦合情况，应用了不同的模拟策略，从而满足灵活性的需求；

[0026] 3、本发明基于耦合作用强弱，进行了耦合源项的显式和隐式混合设计，从而在保证计算稳定性的同时，减小了耦合计算的复杂度；

[0027] 4、本发明的分类处理策略中，考虑了物理机制特征时间尺度的差异，因此能实现多尺度问题的有效耦合模拟。

附图说明

[0028] 图1为本发明方法的流程示意图；

[0029] 图2为应用本发明后的电磁散射仿真结果示意图；

[0030] 图3为应用本发明后的磁流体力学控制结果示意图。

具体实施方式

[0031] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以按各种不同的配置来布置和设计。

[0032] 因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

[0033] 实施例1

[0034] 如图1所示，一种高超流动为核心的多学科多层级耦合模拟方法，此方法的整体步骤流程如下：

[0035] 步骤S1、依据多种物理机制与流动耦合的强弱以及多种物理机制的特征时间差异，确定并输入耦合参数；

[0036] 步骤S2、依据多种物理机制的作用区域差异，划分计算网格，得到多个计算网格分区；将求解器记录于每个计算网格分区中；

[0037] 步骤S3、依据多种物理机制与流动的耦合作用，对每个计算网格分区进行分层；计算网格分区被划分为核心层、耦合层和无耦合层；

[0038] 步骤S4、针对核心层，以显隐混合方式进行当前迭代步的数值迭代；

[0039] 步骤S5、针对耦合层，采用分类策略，进行当前迭代步的数值迭代；

[0040] 步骤S6、针对无耦合层，依据间隔设定，进行当前迭代步的数值迭代；

[0041] 步骤S7、判断各层的迭代是否收敛；若收敛，即得到用于高超声速飞行器设计与评估的多学科数据，进而计算出飞行器气动数据。

[0042] 本实施例将严格按照步骤流程顺序，详细具体的介绍每一步骤所包含的具体细节，并给出优选执行方式说明。关于方法中所述的“流动”，是高超声速飞行器的高温非平衡流动模拟的简称，也是高超气动“力/热/光/电/磁”多学科耦合模拟的基础。

[0043] 一、耦合参数的确定与输入

[0044] 按照多种物理机制与流动耦合的强弱，以及多种物理机制的特征时间差异，设置耦合强度因子 、特征时间系数 和解耦间隔处理步数 ；其中， ；为多种物理机制的种类数。

[0045] 本实施例中的多种物理机制，是指飞行器高超飞行时，绕流场高温非平衡流动带来的力、热、光、电、磁等工程问题涉及的物理机制；这些物理机制都可对应各自特定的求解器（包括但不限于控制方程、模拟/预测方法、计算策略、工程方法等计算过数值模拟过程，本实施例统称为求解器）。

[0046] 因此，本实施例中，多种物理机制可包含以下具体实例，但不限于此：“力”可对应气动力系数计算或飞行器运动轨迹仿真等；“热”可对应飞行器表面温度预测、壁面烧蚀/辐射/传热效应模拟、气体辐射加热模拟或表面能量（热）方程求解等；“光”可对应红外/可见光/紫外辐射特性计算、导引头光学传输模拟或光学信号噪声预测等；“电、磁”可对应飞行器电磁散射特性模拟、电磁传输特性模拟、通讯黑障预测以及电磁流动控制模拟等。

[0047] 不同物理机制的特征时间尺度不同，与流动耦合的强弱也不同，因此这两者决定了耦合强度因子 和特征时间系数 的设置。耦合强度因子 的变化范围为0至1，表征了物理机制对流动的影响程度。若某一物理机制对流动影响很小，甚至可以与流动解耦合计算（即解耦计算），则对应耦合强度因子就接近于0（或直接等于0）。例如飞行器电磁通信“黑障”预测与流动仿真之间就是一种弱耦合（或无耦合）关系，电磁波通信对宏观流动的影响几乎可以忽略，其耦合强度因子可取值极小（工程上通常进行解耦模拟，即耦合强度因子取为0）。

[0048] 特征时间系数 表征了物理机制特征时间尺度与流动特征时间尺度的比率，主要影响物理机制迭代与流动迭代的相对步数。 越大，在相同时间段内，物理机制迭代步数相比于流动迭代步数越少。例如飞行器运动轨迹仿真特征时间是单位秒量级，而高超流动的特征时间通常为 秒（甚至更小）量级，因此运动轨迹仿真的特征时间系数很大；在相同时间段内，飞行器运动仿真的迭代步数，将远小于流动迭代的步数。

[0049] 解耦间隔处理步数 ，这一参数值的应用对象为“与流动解耦”的物理机制及其求解器，其含义为每隔 步就运行一次该物理机制对应的求解器。当物理机制可以与流动解耦模拟时，仅需要在流动模拟完成（或达到某一相对稳定阶段）后，运行该物理机制对应的求解器；因此本实施例引入此参数，便于数值迭代过程中的灵活控制。

[0050] 二、计算网格分区的划分

[0051] 按照多种物理机制的作用区域差异，将高超声速飞行器的数值计算网格分为多个区域，从而为后续不同网格区域采用不同的求解器奠定基础。在每个划分得到的计算网格分区上，建立求解器链表，将该分区上各种物理机制对应的求解器，按照耦合作用由强到弱的顺序，依次写入链表。

[0052] 不同物理机制与流动耦合的作用区域不同。例如飞行器运动轨迹仿真与流动耦合，只需要飞行器流动模拟过程中的表面力学数据（或由此计算得到的等效力学系数），因此飞行器运动轨迹仿真的作用区域仅为飞行器表面区域。

[0053] 对于同一计算区域，可能需要考虑多种物理机制，运行对应的多种求解器。例如在飞行器表面区域，若需要同时进行飞行器运动轨迹仿真和气动热环境综合仿真，则需同时考虑表面的力学方程求解和能量（热）方程求解。

[0054] 三、耦合分层设计过程

[0055] 按照多种物理机制与流动有无耦合作用，将各个计算网格分区，进行分层设计。本实施例中，高超声速飞行器的高温非平衡流动模拟为核心层，每个计算网格分区均包括核心层；随后，对每1个计算网格分区的求解器链表进行遍历，若链表中存在与流动耦合作用的物理机制，那么该分区即包括耦合层，后续计算时在该分区对应的耦合求解器中嵌入耦合作用源项；若链表中存在与流动无耦合作用的物理机制，那么该分区即包括无耦合层。

[0056] 本实施例中，判别每种物理机制是否与流动耦合的方式为：预设耦合判别参数，依据每种物理机制对应的耦合强度因子 ，若 ，即判别对应物理机制与流动耦合作用，反之则无耦合作用。耦合判别参数 的取值通常较小，接近于0。

[0057] 对于核心层，所有计算网格分区上都需要运行流动控制方程，在所有边界面都需要设置或求解流动边界条件；这一数值模拟过程，将为多学科耦合模拟提供基础的流场数据，因此高超声速飞行器的高温非平衡流动模拟涉及了所有计算网格分区，是整个体系的核心。

[0058] 对于与流动耦合作用的物理机制，其对流场的耦合影响，将以源项的形式在高超声速飞行器的高温非平衡流动模拟求解器中表现；在数值迭代过程中，这些物理机制需要与流动数值模拟进行一定程度的共同迭代，因此这些物理机制涉及的计算网格分区包括有耦合层，便于耦合源项的共性处理。

[0059] 对于与流动无耦合作用的物理机制，可认为对流动模拟没有影响或影响可以忽略，因此这些物理机制的计算可在流场数值模拟完成后（或达到某一相对稳定阶段时）进行；这些物理机制涉及的计算网格分区包括有无耦合层，作为流动模拟结果（最终结果或某一阶段结果）的后置处理。

[0060] 所以，本实施例可依据“与流动有无耦合”的设定，将多种物理机制求解器，分为耦合求解器与解耦求解器（可称为无耦合求解器）。耦合求解器需要与流动耦合数值迭代；解耦求解器无需与流动耦合数值迭代，仅需要在流动模拟完成时刻（或达到某一相对稳定阶段时刻）的流场解算基础数据。

[0061] 四、核心层当前迭代步的数值迭代

[0062] 在进行此步骤前，还需进行数值模拟初始化过程。流动及多种物理机制的数值模拟，实质上都是在计算网格分区上，进行数学物理方程的初边值问题的迭代求解，因此需要对涉及的各种物理场进行初始化和边界设定。

[0063] 各种物理场，包括但不限于流场、温度场、电场、磁场、辐射场和光学传输场等。本实施例兼容各种公开资料提供的初始化和边界设定方法，因此不再赘述。

[0064] 核心层当前迭代步的数值迭代过程中，在每个计算网格分区上，进行包含耦合源项的流动求解器的第 步迭代，为当前迭代步。其中，与流动强耦合的物理机制源项（简称强耦合源项），采用隐式时间离散处理（简称隐式），以增强耦合计算稳定性；与流动弱耦合的物理机制源项（简称弱耦合源项），采用显示时间离散处理（简称显示），以减小耦合计算的复杂性。

[0065] 本实施例中，判别耦合源项为强耦合或弱耦合的方式为：预设强弱耦合判别参数，依据耦合源项对应物理机制的耦合强度因子 ，若 ，即判别为强耦合源项，反之则为弱耦合源项。

[0066] 本实施例在此处以具体的求解一维定常流动的N‑S方程为例，详细介绍包含耦合源项的高超声速飞行器的高温非平衡流动求解器的迭代过程。由于具体表达方式会由于描述对象的不同而产生差异，因此本实施例介绍此特例，但不限于此：

[0067] 模拟飞行器周围流场一维流动控制方程组，在计算坐标下简写如下：

[0068]

[0069] 式中，为守恒向量；为空间通量，空间通量包括但不限于对流通量、扩散通量等中的1项或多项；为时间，既可以是真实物理时间，也可以是虚拟时间；为空间计算坐标；为 个耦合作用源项，包括但不限于化学反应
源项、热力学分子能级激发源项、热辐射源项、光辐射源项、电离诱导源项、电磁作用源项等；其中 为 个强耦合源项，其耦合强度因子大于 ；
为 个弱耦合源项，其耦合强度因子不大于 。

[0070] 在飞行器数值计算网格每个分区的每个空间微元上，都需要离散流动控制方程；本实施例以其中第个网格微元为例，第 个网格微元上的控制方程组可写为：

[0071]

[0072]

[0073] 其它网格微元都进行类似处理， ； 为网格微元总数。

[0074] 为了保证耦合数值模拟稳定性，同时尽可能地减小耦合计算复杂性，数值时间离散采用显式和隐式相结合的方法。其中，对流动模拟的空间通量 和强耦合的物理机制源项 ，采用隐式处理，以增强耦合计算稳定性；弱耦合的物理机制源项，采用显式处理，以减小耦合计算的复杂性。由此得到：

[0075]

[0076]

[0077] 此时，迭代步数 从1开始，当 时，为给定的初场值；守恒向量的迭代差量， 和 分别为第 个网格微元上第 步和第 步迭代的守恒变量； 和 分别为第 个网格微元上第 步迭代
的空间通量和强耦合源项； 为第 个网格微元上第 步迭代的弱耦
合源项。

[0078] 对上述流动控制方程组中的空间通量和强耦合源项，进行隐式时间离散处理指的是，在第 步数值迭代计算时，采用第 步的值（或函数）对空间通量和强耦合源项进行表征。

[0079] 隐式时间离散处理，能显著提升数值稳定性，但数值复杂度较高：按时间迭代推进的顺序，在第 步数值迭代时，第 步的 和 属于下一个迭代时间步的参数，无法直接得到，也就无法直接用于当前迭代步的方程组求解。

[0080] 此情况可以基于泰勒一阶展开的方式处理，以使其可以用于当前迭代步的方程组求解，过程如下：

[0081]

[0082]

[0083]

[0084]

[0085]

[0086]

[0087] 上述式中，空间通量的隐式矩阵 ，强耦合源项的隐式矩阵，此处 。整理流场一维流动控制方程组后，在网格第 微元
上有：

[0088]

[0089] 其中方程组隐式矩阵 为：

[0090]

[0091] 其中，为单位阵； 可采用各种现有成熟的时间迭代策略来完成计算表达；

[0092] 方程右端项为：

[0093]

[0094] 右端项式中， 的空间离散，可使用各种现有成熟的空间离散格式来完成计算表达，例如适用于黏性通量的中心格式等。

[0095] 五、耦合层当前迭代步的数值迭代

[0096] 耦合层当前迭代步的数值迭代过程中，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个耦合求解器，并按照特征时间系数 的差异，采用分类迭代策略。

[0097] 分类迭代策略有多种，本实施例以一种较为优选的形式做介绍，但本实施例能采用的分类迭代策略不限于此：预设同步迭代的特征时间尺度差异上限 ，依据对应物理机制的特征时间系数 ，对于 的耦合求解器，当 整除 时，迭代该求解器1次；对于 的耦合求解器，每个迭代步进行多次该求解器的子迭代，子迭代次数为；对于 的耦合求解器，每个迭代步无条件迭代1次该求解器。本
实施例中，同步迭代的特征时间尺度差异上限 建议取值范围为2.0至10.0； 的含义为对括号中参数值进行取整。

[0098] 在特征时间系数 的设定影响下，当 远大于1时，物理机制特征时间尺度远大于流动特征时间尺度，相同时间段内，物理机制迭代步数可以远小于流动迭代步数；反之，当 远小于1时，物理机制特征时间尺度远小于流动特征时间尺度，相同时间段内，物理机制迭代步数需要远大于流动迭代步数；当 接近1时，物理机制特征时间尺度于流动特征时间尺度相当，相同时间段内，物理机制迭代步数也与流动迭代步数相当。

[0099] 六、无耦合层当前迭代步的数值迭代

[0100] 无耦合层当前迭代步的数值迭代过程中，在每个计算网格分区上，基于最新的核心层流场迭代数据，遍历求解器链表中的各个解耦求解器，并按照一定的间隔设定，也就是对应物理机制的解耦间隔处理步数 ，来运行解耦求解器。

[0101] 本实施例中，无耦合层的迭代设置方法也有多种，本实施例给出一种优选方式，但不限于此：对于解耦间隔处理步数为 的解耦求解器，若当前迭代步 整除 时，即运行此解耦求解器。

[0102] 对于无耦合层，各种物理机制对高超声速宏观流动没有影响（或影响可以忽略），此时高超声速流场将作为无耦合层的输入。为了灵活控制无耦合层物理机制的仿真，引入了解耦间隔处理步数 ，在流动模拟完成（或达到某一相对稳定阶段）时，运行该物理机制对应的解耦求解器。

[0103] 七、数值迭代过程的收敛判断及结果处理

[0104] 完成核心层、耦合层和无耦合层的当前迭代步的数值迭代过程后，若迭代结果判断为未收敛，则进入步骤S4，也就是第四部分的内容，开始下个迭代步的数值迭代，以进行循环迭代过程。

[0105] 本实施例中，各种流动及多种物理效应数值迭代的收敛判断方法有很多种，例如物理场原始变量残差判断方法、物理场守恒量残差判断方法、物理场特征值残差判断方法、气动特性（包括但不限于气动力特性、气动热特性、气动光学特性、气动辐射特性、气动电磁特性等）残差判断方法等。这些方法在各种公开资料中均具有介绍，本实施例对此均能较好的适用，因此不再赘述。

[0106] 当迭代结果判断为收敛后，即可得到各种流动参数和多物理场参数的时间与空间分布，进而计算得到飞行器气动数据；这些多学科数据包括且不限于：气动力特性、气动热环境、等离子体环境、目标辐射特性、气动光学特性、电磁传输特性和电磁散射特性等。

[0107] 通过流动参数和多物理场参数的时空分布，计算得出气动力/热/光/电/磁等气动多学科数据的方法，也是在公开资料中均有介绍，本实施例对此均能较好的适用，因此不再赘述。通过本实施例计算得到的气动多学科数据，可为高超声速飞行器的气动外形、操控系统、热管理与防护、光学探测、目标识别和电磁通信等系统设计和评估提供核心支持。

[0108] 实施例2

[0109] 在实施例1的基础上，本实施例应用其方法，以“高超飞行器RAM‑C气动电磁模拟”为例，说明本发明方法的应用效果。本实施例仅为本发明应用的一个实例，实际不限于此。

[0110] RAM‑C钝锥体头部半径为Rn=0.1524m，钝锥体全长1.295m，半锥角为9°。计算飞行高度H=61 81km，飞行速度7650.0m/s。钝椎体表面温度设为1500K，飞行攻角为0°。~

[0111] 在热化学非平衡流动模拟时，考虑电磁散射仿真和磁流体力学控制仿真。其中电磁散射仿真，主要评估雷达电磁波的透射、反射、衰减特性，对流场的宏观几乎没有影响，因此可进行解耦处理；磁流体力学控制，则需要考虑流场中等离子体在电磁场中的洛伦兹力和焦耳热等作用，需要与热化学非平衡流动强耦合模拟。

[0112] 基于本发明的方法，通过模拟平转动温度分布和等离子体电子数密度分布，进行对比后发现，当流场中平转动温度达到20000K时，在高速流场中会发生离解、电离等复杂反应，并沿流动向后扩展，形成等离子体鞘。由于等离子体鞘对电磁波具有削弱和屏蔽作用，同时具有一定的导电性，在电磁场中会受到洛伦兹力和焦耳热作用，其电磁效应较强。

[0113] 图2为应用本发明后仿真计算的电磁散热RCS，与FEKO软件的结果对比图；图2中，纵坐标为电磁散热RCS值（单位：dBsm），横坐标为观测角度值（单位：度），点数据是本发明方法的结果，线数据为FEKO软件的参考结果，二者具有较好的符合性。

[0114] 图3为应用本发明后，在不同的磁场配置时，磁流体力学控制计算的表面热流分布2
对比结果；图3中，纵坐标为表面热流Q值（单位：kW/m），横坐标为飞行器体轴方向坐标X值（单位：m），B0=0.5T和B0=1.0T分别为配置特征磁感应强度为0.5T和1.0T的偶极子磁场。可以看出，在一定的磁场配置下，能有效降低局部区域的表面热流，达到热防护的效果，从而侧面印证了本发明方法的模拟计算有效性。