求解电磁隐身问题的时域无网格等算法及其应用研究

发布时间：2017-09-16 10:27

  本文关键词：求解电磁隐身问题的时域无网格等算法及其应用研究

  更多相关文章： 物理光学法 时域有限体积法 非结构网格 格点格式 时域无网格算法 近似黎曼解 WENO重构

【摘要】：飞行器电磁隐身特性数值计算方法的研究一直备受学术界和工程界的关注。本文围绕物理光学法、时域有限体积法和时域无网格等电磁隐身数值方法,就方法的适用范围、计算精度、计算效率以及计算区域离散灵活性等问题开展了深入系统的研究。首先研究了物理光学法。算法采用了Ludwig积分方法来处理散射场计算中涉及的积分项,无需引入大量的积分采样点;根据照明条件结合采用简化的深度排序算法来进行遮挡判断,可以兼顾求解要求和计算效率。快速求解得到的典型高频散射目标的RCS能与解析解或文献结果一致。接着研究了格心非结构网格时域有限体积算法,可用于全频段散射问题的求解。然后针对现有的格点算法需要生成对偶网格和进行交错采样、实现较为复杂的问题,发展了一种电磁场统一采样于单一非结构网格格点的时域有限体积算法。本文讨论了基于格点的面值函数逼近重构的具体实施方法,包括插值模板的选择和重构系数的确定。算例表明基于二次函数重构的计算结果整体上较基于线性函数重构的结果更加与级数解接近;截断位置处采用PML边界条件较无反射边界条件可以用相对小的计算域进行计算,计算时间大大节省;格点算法的收敛速度和计算速度均比传统的格心算法快得多。文中给出的多段翼型算例和平板飞机模型等模拟算例,在一定程度上展示了发展的格点算法处理多体干扰问题的能力。为了提高对复杂外形的适应能力,提出了求解二维TM波麦克斯韦方程的时域无网格算法。针对时域无网格算法涉及的计算区域的布点问题,提出了一种基于直角网格点的直接布点方法。采用该方法,可以对计算区域进行快速布点填充,同时在计算点的局部得到无网格算法实施所需的点云结构。在当地点云上,计算点的通量则采用本文提出的基于点云结构的近似黎曼解计算确定。典型算例的计算结果能与级数解或文献结果吻合。算例表明计算区域的离散,不论是基于直接布点还是基于网格点,时域无网格算法均具有良好的收敛特性。由于算法是基于无网格点云发展的,因而适合处理多体及多部件干扰等复杂情形。接着基于函数加权最小二乘逼近法,提出了用于求解二维TE波麦克斯韦方程的时域无网格算法。权因子的引入可弱化计算域布点过近所带来的矩阵求逆问题,有助于提高布点离散的灵活性。算例表明在TE波照射下,外挂会对飞行器主体的隐身特性造成显著影响;改变电磁波的照射方向、外挂的尺寸或者外挂与主体的相对位置都会影响主体与外挂之间的干扰特性以及目标整体的隐身特性,其中前两者影响较大。然后为了处理面向实用的三维问题,基于三维无网格点云结构和函数加权最小二乘逼近法,发展了求解三维麦克斯韦方程的时域无网格算法。典型算例的计算结果能与级数解、文献矩量法或精确控制法等结果一致。文中给出的进气道模型和隐身飞机模型等模拟的复杂散射体算例,一定程度上展示出发展的算法处理三维实际散射目标的能力。为了提高上述时域无网格算法的计算精度,进一步提出了求解麦克斯韦方程的WENO重构时域无网格算法。文中基于无网格点云和局部一维坐标,给出了WENO重构实施所要求模板的构造方法。通量运算涉及的无网格点云中心点与卫星点连线中点处物理量的左右状态值,改用三阶WENO重构计算,以替代通常的线性重构。典型算例验证了基于WENO重构的数值解较通常的线性重构结果能更加与理论解接近。数值模拟时,截断位置处的布点数可以适当减少以减小计算量。计算得到的不同频率圆柱的双站RCS都能与级数解吻合,展示了算法求解全频段目标散射问题的能力。最后给出的飞机模型投弹模拟算例则展示了算法处理多体干扰等复杂情形的能力。
【关键词】：物理光学法 时域有限体积法 非结构网格 格点格式 时域无网格算法 近似黎曼解 WENO重构
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O241.82
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-17
• 注释表17-18
• 第一章 绪论18-28
• 1.1 研究背景18-19
• 1.2 国内外研究状况19-24
• 1.2.1 时域有限差分法19-20
• 1.2.2 时域有限体积法20-21
• 1.2.3 无网格法21-24
• 1.3 本文的主要工作24-28
• 第二章 物理光学法研究28-42
• 2.1 引言28
• 2.2 物理光学法基本原理28-37
• 2.2.1 控制方程28-29
• 2.2.2 高频散射前提假设29
• 2.2.3 雷达散射截面（RCS）29-30
• 2.2.4 三角形面元离散30-32
• 2.2.5 入射场和散射场32-34
• 2.2.6 坐标变换34-36
• 2.2.7 遮挡判断36-37
• 2.3 算例37-41
• 2.3.1 矩形平板37-38
• 2.3.2 金属球38-39
• 2.3.3 金属圆锥39-40
• 2.3.4 直机翼40-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第三章 FVTD算法研究42-76
• 3.1 引言42
• 3.2 格心FVTD算法研究42-55
• 3.2.1 格心FVTD算法42-47
• 3.2.1.1 控制方程及无量纲化42-43
• 3.2.1.2 格心FVTD算法离散43-46
• 3.2.1.3 格林-高斯法重构46-47
• 3.2.2 算例47-55
• 3.2.2.1 二维圆柱的散射47-49
• 3.2.2.2 三维球的散射49-50
• 3.2.2.3 三维圆柱的散射50-51
• 3.2.2.4 直机翼模型的散射51-55
• 3.3 格点FVTD算法研究55-75
• 3.3.1 格点FVTD算法55-62
• 3.3.1.1 格点FVTD算法离散55-58
• 3.3.1.2 格点格式物理量左右状态值重构58-61
• 3.3.1.3 边界条件61-62
• 3.3.2 算例62-75
• 3.3.2.1 线性函数重构与二次函数重构的比较63-65
• 3.3.2.2 截断边界位置与不同边界条件对计算结果的影响65-66
• 3.3.2.3 不同的通量运算方法对计算结果的影响66-69
• 3.3.2.4 NACA0012翼型及多段翼型算例69-70
• 3.3.2.5 平板飞机模型算例70-72
• 3.3.2.6 主体带外挂、主体带鼓包及主体带弹舱等干扰问题计算72-75
• 3.4 本章小结75-76
• 第四章 二维TM波时域无网格算法研究76-95
• 4.1 引言76-77
• 4.2 二维TM波时域无网格算法77-83
• 4.2.1 计算区域布点离散及点云生成77-78
• 4.2.2 时域麦克斯韦方程的无网格离散求解78-83
• 4.2.2.1 空间导数的确定78-79
• 4.2.2.2 通量运算79-83
• 4.2.2.3 时间离散83
• 4.2.2.4 边界条件83
• 4.3 算例83-93
• 4.3.1 典型算例的考核计算84-86
• 4.3.2 截断边界位置对计算结果的影响86-89
• 4.3.3 主体带外挂的多体干扰电磁散射计算89-90
• 4.3.4 飞机模型的电磁散射场数值模拟90-93
• 4.4 本章小结93-95
• 第五章 二维TE波时域无网格算法研究95-115
• 5.1 引言95
• 5.2 二维TE波时域无网格算法95-98
• 5.2.1 二维TE波时域麦克斯韦方程95
• 5.2.2 时域无网格算法离散求解95-98
• 5.3 算例与分析98-114
• 5.3.1 二维圆柱电磁散射模拟99-104
• 5.3.2 二维方柱电磁散射模拟104-109
• 5.3.3 主体及带外挂等二维情形电磁散射模拟109-114
• 5.4 本章小结114-115
• 第六章 三维时域无网格算法研究115-133
• 6.1 引言115
• 6.2 三维时域无网格算法115-118
• 6.2.1 布点及点云生成115
• 6.2.2 空间导数的计算115-116
• 6.2.3 通量运算116-117
• 6.2.4 时间推进与边界条件117-118
• 6.3 算例118-132
• 6.3.1 球的散射118-122
• 6.3.2 立方体的散射122-123
• 6.3.3 进气道模型的散射123-125
• 6.3.4 直机翼模型的散射125-127
• 6.3.5 隐身飞机模型的散射127-132
• 6.4 本章小结132-133
• 第七章 基于WENO重构的时域无网格算法研究133-152
• 7.1 引言133
• 7.2 基于WENO重构的时域无网格算法133-138
• 7.2.1 空间导数逼近133-135
• 7.2.2 有限差分形式的三阶WENO重构135-136
• 7.2.3 基于无网格点云的WENO重构136-137
• 7.2.4 通量运算137-138
• 7.2.5 时间离散138
• 7.3 算例138-150
• 7.3.1 一维电磁波传播数值模拟138-140
• 7.3.2 二维圆柱散射数值模拟140-146
• 7.3.2.1 布点密度对计算结果的影响140-143
• 7.3.2.2 不同算法的收敛特性和计算效率之比较143-144
• 7.3.2.3 不同频率圆柱的散射模拟144-146
• 7.3.3 双NACA0012翼型散射场数值模拟146-147
• 7.3.4 飞机投弹多体散射场数值模拟147-150
• 7.4 本章小结150-152
• 第八章 结论与展望152-154
• 8.1 结论152-153
• 8.2 后续研究工作的展望153-154
• 参考文献154-164
• 致谢164-165
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文165-166
• 附录一166-169
• 附录二169-170
• 附录三170

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李亭鹤,阎超,李跃军;重叠网格技术中割补法的研究与改进[J];北京航空航天大学学报;2005年04期

2 袁益谦;网格高速摄影[J];高速摄影与光子学;1981年02期

3 袁益谦;网格高速摄影成象特性的研究[J];光学学报;1983年07期

4 卓向正;;一个利用微机求网格点上气象要素值的方案[J];浙江气象科技;1986年03期

5 周春华;;一种基于预估-修正策略的非定常流网格自适应加密/稀疏方法[J];计算物理;2013年05期

6 叶强强;余烨;张静;刘晓平;;基于网格的球面虚拟实景空间搭建方法[J];华南师范大学学报(自然科学版);2012年04期

7 刘君;白晓征;王巍;;网格之间流场信息传递的高精度方法和验证[J];空气动力学学报;2010年01期

8 曹建发,陈晏清;多段翼型贴体网格的生成方法[J];北京航空航天大学学报;1993年01期

9 张政,何世平,续伯钦;自动网格形状测试技术[J];中国科学技术大学学报;1997年02期

10 何跃龙;李盾;;非结构粘性直角网格物面相贯线修正[J];计算机与数字工程;2009年12期

中国重要会议论文全文数据库 前9条

1 王瑞利;付汉清;;流体力学数值模拟中的网格自适应技术[A];中国工程物理研究院科技年报（1999）[C];1999年

2 李盾;陈靖;方华;;复杂外形三维非结构粘性直角网格的生成[A];中国造船工程学会电子技术学术委员会2006学术年会论文集（上册）[C];2006年

3 叶强强;余烨;张静;刘晓平;;基于网格的球面虚拟实景空间搭建方法[A];安徽首届科普产业博士科技论坛——暨社区科技传播体系与平台建构学术交流会论文集[C];2012年

4 郑冠男;杨国伟;;三维非结构动网格计算方法研究[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年

5 周磊;谭伟伟;;聚合多重网格的体网格可视化技术[A];探索 创新 交流（第4集）——第四届中国航空学会青年科技论坛文集[C];2010年

6 晋长秋;曹雄;;二维拉氏程序中的重分[A];中国工程物理研究院科技年报（2000）[C];2000年

7 陈立岗;梁义;陈建军;郑耀;;保特征的曲面网格重生成方法[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集（下）[C];2007年

8 杨永;;基于网格计算的CFD模拟可信度分析[A];计算流体力学研究进展——第十二届全国计算流体力学会议论文集[C];2004年

9 龚也君;;浸入界面法快速生成网格[A];第十七届全国反应堆结构力学会议论文集[C];2012年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 郭e，

本文编号：862495