[发明专利]一种舰船空气流场的非定常特性获取方法在审

专利信息
申请号: 201611102013.5 申请日: 2016-12-02
公开(公告)号: CN106650046A 公开(公告)日: 2017-05-10
发明(设计)人: 李海旭;徐娟娟;宗昆;赵鹏程;邵元頔 申请(专利权)人: 中国船舶工业系统工程研究院
主分类号: G06F17/50 分类号: G06F17/50
代理公司: 中国航天科技专利中心11009 代理人: 陈鹏
地址: 100094*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 舰船 气流 非定常 特性 获取 方法
【说明书】:

一种舰船空气流场的非定常特性获取方法,首先对舰船模型进行简化,对舰船计算域进行网格划分,然后修正非定常湍流模型,设定非定常特性计算参数,计算得到空气流场的非定常特性,最后验证空气流场的非定常特性及确定选定网格,根据选定网格及对应空气流场的非定常特性计算得到直升机起降过程的瞬时速度载荷、平均载荷。本发明使用脱体涡模拟方法研究舰船艉部非定常流场特性,相对于定常湍流计算方法,提高对艉流场预测精度,使用熵函数确定边界层的范围,构建新的脱体涡模拟方法,减小对网格的依赖性,具有很好的使用价值。

技术领域

本发明涉及舰船空气流场领域,特别是一种舰船空气流场的非定常特性获取方法。

背景技术

受机库及舰船上层建筑的影响,甲板上方空气流场存在下洗、侧洗以及非定常的湍流脉动。对于舰船艉部流场的研究,一般来说,CFD技术具有成本低、耗时小、流场信息丰富且可模拟各种不同工况等独特优点,故其逐渐成为流动分析的重要手段。舰船艉部流场属于大分离湍流流动,目前对湍流的数值模拟方法主要有三种:雷诺平均N-S方程方法(Reynolds Averaged Navier-Stokes,简称RANS)、大涡模拟(Large Eddy Simulation,简称LES)和直接数值模拟(Direct Numerical Simulation,简称DNS),这三者对于流场分辨率的要求上有本质的区别,其特点简述如下。

RANS方法:RANS把湍流分解为平均运动与脉动运动,只计算大尺度平均流动,所有湍流脉动对平均流动的作用即雷诺应力,用各式各样的模型假设封闭。这种平均运算将脉动运动的行为细节一律抹平,丢失了脉动运动中的大量有重要意义的信息。艉部湍流运动中除了随机性很强的小尺度涡运动,还存在着组织得相当好的大尺度涡结构,但所有湍流模型理论对此均无能为力。

LES方法:LES中负责质量、动量和能量输运的大涡被直接求解,小涡对大涡运动的影响是通过一定的模型来模拟。LES方法对网格的要求较高,对与实际工程中的流动计算而言,其所需的网格数量依然过于庞大,以至于其应用受限。

DNS方法:DNS不引入任何湍流模型,直接数值求解三维非定常N-S方程,对湍流中所有尺度的运动进行求解,采用的数值方法多数是谱方法或伪谱法。理想的DNS几乎满足研究者的所有需要:方程本身精确,误差仅来自于数值方法;可精确控制流动条件;可提供每一瞬间的全场流动信息等。但DNS的致命缺陷是计算量过大,湍流DNS计算中,DNS的计算量是相当惊人的,对于目前的硬件条件而言,无论是CPU速度还是所需内存量,直接数值模拟高雷诺数湍流都是不现实的,目前限于较低的Re数和几何外形较简单的问题,如平板边界层、完全发展的槽道流动等,在工程领域的实际问题,近年看不到进行全流场计算研究的希望。因此目前DNS只能作为研究工具,而不是工程问题的解决手段。

为了适应工程中流动非定常特性的研究需求脱体涡模拟方法(DES)得到了发展,其是目前研究工程非定常湍流流动特性最为有效的方法。DES模型在边界层内采用URANS方法,在分离区内采用LES方法,常被称为混合LES/RANS模型。但现有的DES方法对网格依赖性较大,尤其是边界层网格过密时会引起非物理的流动分离,从而降低对非定常流动特性的预测精度。

受计算模型和计算资源的限制,目前国内对舰船艉部流场的CFD仿真均采用RANS方法,且大多停留在定常计算当中。究其原因,一方面由于舰船上层建筑复杂,另一方面商业CFD软件大多采用低阶高耗散数值格式,并自动化生成非结构网格,导致网格量巨大,若进行非定常精细化计算需要消耗巨大的计算资源。

发明内容

本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种舰船空气流场的非定常特性获取方法,相对于商业CFD软件低阶定常非结构网格这种常规计算模式,在脱体涡方法的基础上进行计算模型改进,针对艉部大分离流动,集中发展高精度、高保真的非定常艉流场CFD模拟技术,精细刻画艉部涡团的产生、发展、耗散等时空间历程,从流动本质上探讨艉部涡流的形成机制、影响范围,得到艉流场的非定常特性。

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