[发明专利]一种水翼流固耦合面水动力和位移传递算法

说明书

本发明涉及一种水翼流固耦合面水动力和位移传递算法，对于水翼流固耦合面的流场任意一个网格节点，设置该节点、最近的一个水翼有限单元的一个特定点的位移相同，然后直接采用该节点的水动力向量作为水翼的激励，从而实现流固耦合面的水动力和位移的传递。本发明方法能够自动满足能量守恒，所以不会引入额外插值误差，该算法能够用于舵翼结构流激振动的数值预报，支撑舵翼声学优化设计。

技术领域

本发明涉及船舶舵翼结构水动力分析领域，具体涉及一种水翼流固耦合面水动力和位移传递算法。

背景技术

船舶舵翼结构在湍流及舵翼本身流动分离等非定常流动的激励下，水翼低频弹性振动被激发，往往产生低频固有频率处的振动噪声，具有典型的声纹特征，而且传播距离远，会严重影响船舶声学性能。因此，舵翼设计阶段需要借助流固耦合仿真技术开展流激振动分析，支撑舵翼的低频声学优化设计。

水翼流固耦合计算中关键的一项技术就是流固耦合面上水动力和位移的传递技术，目前所采用的插值算法通常会引入额外的插值误差，影响流固耦合计算的准确性。

研究人员在水翼流固耦合计算中采用的流固耦合面力和位移传递的插值计算方法主要有3种：曲面拟合、表面跟踪和局部插值。

采用曲面拟合方法传递水翼流固耦合面的水动力和位移需要求解插值权重系数矩阵，计算量大，对于舵及稳定翼交界面这种复杂曲面该方法的插值矩阵为病态矩阵，导致数值计算无法继续。表面跟踪方法采用数值映射的方法将流场网格节点投影到流固耦合面上的有限单元网格上，用于高曲率的曲面时，比如舵的尾缘圆弧面，该方法的计算精度就会大幅降低。局部插值方法应用于高曲率曲面的流固耦合计算时，会造成流场网格扭曲，降低流场网格质量，尤其是对于水翼流固耦合面的流场边界层网格，降低流固耦合计算精度。

总之，目前流固耦合计算所采用的流固耦合面力和位移传递方法存在计算准确度不高的问题，应用于复杂曲面时存在计算程序宕机的问题。在实际的水翼流固耦合计算中，每一时间步，流固耦合面均进行多次反复的水动力和位移传递，插值算法引入额外插值误差累积，降低计算精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对流固耦合的力和位移传递的误差问题，提供一种水翼流固耦合面水动力和位移传递算法，用于舵翼结构流激振动的数值预报，支撑舵翼声学优化设计。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种水翼流固耦合面水动力和位移传递算法，该算法包括

(1)位移传递方法：

在水翼流固耦合计算中，在流固耦合面上的任意一个流场网格节点A，必然存在一个与A最近的水翼有限元网格单元；在计算的初始时刻，水翼虽然受到了水动力的作用，但是还未发生振动及变形，所述水翼有限元网格单元附近存在一点a，其空间坐标(x_a,y_a,z_a)与A的空间坐标(x_A,y_A,z_A)相等；当水翼在水动力作用下发生振动或变形时，a的坐标也随之变化；设定A与a的位移相同，使水翼发生振动和变形之后，A和a的空间坐标仍然保持相等；至此，完成了水翼振动及变形位移向流场网格的传递；

(2)水动力传递方法：

基于上述设定A与a的位移相同，直接采用水翼流固耦合面上流场网格面的流场压力作为水动力传递的源，通过力等效的方法推导流固耦合面上水翼流场网格节点水动力向量，从而实现水动力的传递。

上述方案中，本算法适用于六面体有限元网格和四边形流场网格的面网格，实际应用时应采用结构化网格离散方法对水翼及其流场进行空间离散。

上述方案中，设水翼六面体有限元网格单元的节点编号为1～8；在有限元理论中，点a的位移是与有限单元1～8号节点的位移相互关联的，即：