[发明专利]基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法

说明书

本发明涉及一种基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法，属于船舶、近水面航行器技术领域。本发明通过三维流域模型及网格划分、建立计算流体力学模型、建立网格控制方法，进行近水面滑行跳跃流场计算，然后对计算结果进行后处理，获得近水面跳跃随时间变化的动态信息。充分考虑了两相流和结构运动的影响，提高了数值计算结果的可信度；且本发明能够实现对近水面弹跳现象进行高精度的数值预测，实现触水物体不同俯仰角和攻角的设计工况，节省实验成本和时间。

技术领域

本发明涉及一种基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法，属于船舶、近水面航行器技术领域。

背景技术

近年来，随着科学技术应用的迅猛发展，近水面滑行跳跃技术相比于水上飞行和水下航行技术具有较强的灵活性和突防能力。相比于跨介质入水实验和水上航行实验，近水面滑行跳跃的实验难度大、成本高，致使其实验的成功率较低。20世界90年代以来，随着计算机设备的发展和计算技术的进步，逐渐由传统的实验研究，转向数值与实验相结合的研究模式。目前针对近水面跨介质运动的数值研究主要聚焦于物体的入水问题，比如小球入水、射弹入水等，有相对成熟和完善的数值计算模型。而对于近水面滑行跳跃的数值计算研究极其匮乏，以至于无法对触水物体周围复杂的流场环境做出进一步的分析和研究，同时也无法对触水物体的水动力性能和结构相应特性做出合理的解释。因此，对于近水面触水跳跃问题，有必要发展和完善考虑复杂流场和入水物体结构特性的数值预测方法，建立一种基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法是全新的技术问题，更具实际工程价值和科学意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决近水面滑行跳跃的实验难度大、成本高的问题，提出一种基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法。该方法能够对实验工况的成功性进行评估预测，提高实验的成功率、降低实验危险系数和实验成本。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法，具体步骤如下：

步骤一：建立三维流域模型。

根据确定的触水物体的几何形状，确认其中心点为整体流域的坐标原点。然后根据坐标原点依次划分三维流域：内域、中域和外域三部分。内域是将触水物体包围起来的圆形区域，用于触水物体周围网格的加密，同时圆形内域能够方便快捷的调整触水物体的俯仰角度。中域是内域与外域的交界区域，作用于内外域网格之间的过渡，保证外域网格的精确度。外域是将所有域包起来的长方体区域，且三个流域的宽度均大于触水物体宽度。

步骤二：划分三维流域网格。

对步骤一建立的三维流域进行网格划分，其中内域采用非结构化网格对触水物体周围的流域网格进行加密处理，以便捕捉非定常流动细节；中域采用结构化网格，将中域网格由外域往内域方向逐渐加密；外域模型中将中域的位置尺寸作为参数使用，并进行非结构化网格划分。

步骤三：建立计算流体力学模型。

为了能够对步骤二所建立的三维流域网格进行流场计算求解，需要先建立计算流体力学模型。计算流体力学模型包括气液界面捕捉模型、流场控制方程、湍流模型和刚体运动方程。

气液界面捕捉模型：

式中，u_t为速度对时间的一阶导，u＝(u,v,w)是流体速度；F代表体积力；ρ＝ρ(x,t)是流体密度；p为流体压力；μ＝μ(x,t)是介质粘度；D是粘性应力张量；式(1)中的最后一项代表集中在相界面上的表面张力，σ代表表面张力系数；κ代表相界面的曲率；δ是DiracDelta函数；d表示计算区域中的点与相界面的垂直距离；n表示相界面上法向朝外的单位向量

流场控制方程包括质量方程(3)和动量方程(4)：