[发明专利]海面运动舰船湍流尾迹的数值仿真方法

权利要求书

1.一种海面舰船湍流尾迹的数值仿真方法，其特征在于具体步骤为：

(1)确定舰船的各项参数：舰船长度、横宽、航速、船型系数、船体阻力系数、涡核深度，建立运动舰船的几何模型，并建立仿真计算的坐标系统，将海面离散化，剖分成网格单元；其具体过程为：

设定舰船参数：舰船长度L，舰船横宽B，舰船航速U；

建立两个空间直角坐标系，其一是船头坐标系，其坐标原点位于船头位置，x轴由船头指向船尾，y轴与静海面平行且垂直于船身，z轴垂直于静海面；其二是船尾坐标系，其坐标原点位于船尾，船尾坐标系是船头坐标系在x轴方向水平平移一个船体长度后的新坐标系；船头坐标系用来计算船侧涡流对起伏高度，船尾坐标系用来计算船尾射流的起伏高度；

将海面离散化，剖分成网格单元，设海面模拟尺寸为L_x×L_y，剖分节点数为N_x×N_y，网格步长的选取要考虑计算量；

(2)根据舰船参数和舰船湍流尾迹宽度半经验公式，计算出该舰船特定速度下的尾迹宽度公式；

(3)根据舰船尾迹湍流谱的半经验公式，分别计算船尾射流和船侧涡流对的能量衰减谱，采用双线性叠加方法模拟湍流尾迹，即将湍流尾迹看作无限多个振幅、频率、初相位以及传播方向均不相同的简单余弦波的叠加。

2.根据权利要求1所述的海面舰船湍流尾迹的数值仿真方法，其特征在于：步骤(2)的具体过程为：

舰船湍流尾迹宽度半经验公式：

W(x)＝(AxB^α-1)^1/α (1)

其中，B为舰船横宽；α∈[4,5]；实验发现距离船体4倍船长处的尾迹宽度为船宽的4倍；

将公式(2)带入式(1)得：

令：

则：

于是，根据舰船尺寸就可以计算出a,b的值，进而得到舰船湍流尾迹宽度W的计算公式。

3.根据权利要求2所述的海面舰船湍流尾迹的数值仿真方法，其特征在于：步骤(3)的具体过程为：

海浪模拟的双线性叠加公式为:

式中，z_m,n是海面起伏高度，A_n,m、ω_n、k_x、k_y、φ_n,m分别为第n个余弦波的振幅、角频率、x方向波数分量、y方向波数分量和初相位，φ_n,m为[0,2π]之间均匀分布的随机变量，g为重力加速度；

振幅满足瑞利分布，由下式确定：

式中，S(ω,θ)为湍流能量衰减谱；

船尾射流能量衰减谱的计算：

船尾射流尾迹能量衰减谱的半经验公式：

式中U、L、l分别为舰船航速、舰船长度和湍流积分尺度，E(k)为湍流能谱；

令初始速度场为均匀各向同性场，那么湍流能谱：

其中，可根据实验测量数据确定，k₀为能量谱峰值对应的波数；湍流积分尺度：

船侧涡流对能量衰减谱的计算：

船侧涡流对尾迹能量衰减谱的半经验公式：

式中，U′与涡流速度相关，其它参数同上；

U′＝λU_vor (13)

式中U_vor是涡流对的侧向速度，峰值为船速的0.1倍，λ是比例系数，取值10±5；

涡流对的表面水平速度场为：

式中，b_v为两漩涡之间的距离，h为漩涡的深度，Γ(t)是涡流在时间t的环流量；

其中

式中的参数为：L为舰船长度，U为舰船航速，B为舰船横宽，C_p为船型系数，f为船体阻力系数。

4.根据权利要求3所述的海面舰船湍流尾迹的数值仿真方法，其特征在于：合理选取相关参数，准确计算舰船湍流尾迹的宽度公式和湍流能量衰减谱公式；分别采用船尾坐标系和船头坐标系仿真船尾射流尾迹和船侧涡流对尾迹，线性叠加两种尾迹。