[发明专利]一种运载器式潜射导弹水面分离的数值模拟方法

权利要求书

1.一种运载器式潜射导弹水面分离的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立运载器式潜射导弹水面分离的三维几何模型；

步骤2、利用嵌套网格方法对三维模型进行网格划分，并对运动集中区域进行加密；

步骤3、建立自由液面流动模型：基于三维不可压缩Navier-Stokes方程，RNGk-ε湍流模型与VOF模型，建立分离过程中自由液面的流动模型；

其中，建立自由液面流动模型，具体步骤如下：

3.1、建立三维不可压缩流体N-S方程模型：

其中ρ为流体密度，v为流体速度矢量，p为压力，F为流体所受外力的矢量，μ为流体的动力粘度系数，t为分离时间；

3.2、采用RNGk-ε两方程模型建立自由液面流动的湍流模型：

湍动能k方程与湍动耗散率ε方程为

其中G_k为层流速度梯度而产生的湍流动能，σ_k和σ_ε分别是湍动能k和湍动耗散率ε的普朗特数，μ_eff为有效粘度，u_i、u_j为速度分量，x_i、x_j为坐标分量，C_1ε,C^*_1ε和C_2ε为方程常数系数；

3.3、建立VOF两相流模型，捕捉自由液面边界：

将两相流分为液体相和气体相，定义网格单元上的液体体积分数α_s为

其中α₁为网格单元中液体的体积，α₂为网格单元体的体积；

模型的控制方程由连续性方程和动量方程组成：

其中v_s为两相流中气体相的体积分数，F_s为表面张力所致的源项，g为重力加速度；

步骤4、基于基点法和连续性方程，建立运载器与导弹的六自由度运动学模型，计算各自的运动状态；

其中，建立运载器与导弹的六自由度运动学模型：

假设运载器与导弹为刚体，P为其上的任意一点，G为其质心,其速度V_P由下式可求

V_P＝V_G+ω×r_P/G (7)

其中r_P/G是从任意点P到质心G的矢量；V_G表示质心的平移速度，ω为绕基点运动的角速度；

刚体的运动由下式表示

其中F为刚体受到的总外力，m为刚体质量，T_G为作用在质心的总力矩，[J]为刚体的惯性张量；

模型的控制方程为连续性方程

其中V_f为网格单元内流体的体积分数，A为网格单元内流体的面积分数；S_m为流体的质量源项；

步骤5、在运载器与导弹轴线上设立监测点，并基于欧拉坐标系获得其姿态角；

步骤6、输入运载器与导弹的初始运动状态与水面浪高和横向流速，完成最终计算并输出压力流场云图，以及运载器与导弹的姿态角和轴向速度曲线。

2.根据权利要求1所述的一种运载器式潜射导弹水面分离的数值模拟方法，其特征在于，步骤2对三维模型进行网格划分，具体包括以下步骤：

2.1、预估分离过程中各部件的运动范围，将水域设置为背景区域，分离运动集中区域设置为嵌套区域；

2.2、对嵌套区域网格进行加密处理。

3.根据权利要求2所述的运载器式潜射导弹水面分离的数值模拟方法，其特征在于，步骤5建立监测点，并基于欧拉坐标系获得运载器与导弹的姿态角：

其中q＝(a,b,c,d)为监测点矢量的四元数，为滚转角，α为俯仰角，ψ为偏航角。/