[发明专利]一种船底气液分层两相流波动形态数值模拟方法

说明书

本申请公开了一种船底气液分层两相流波动形态数值模拟方法，涉及船舶技术领域，该方法构建船舶底部的气液分层两相流区域对应的平面的计算域并对计算域进行网格划分得到若干个网格单元后，将船舶气腔结构的前缘台阶的后缘边界投影到所述计算域从而将所述计算域划分为靠近来流方向的上游台阶区域和远离来流方向的下游液面波动区域，然后基于伯努利方程构建与各个网格单元处的点源的强度相关的求解方程并基于边界元积分求解，即可基于计算域内所有网格单元处的点源的强度计算得到气液分层两相流的波动形态的数值模拟结果。该方法可以对气液分层两相流的波动形态实现快速模拟在确保计算精度的同时大幅提高了计算效率且所需的运算资源也较小。

技术领域

本申请涉及船舶技术领域，尤其是一种船底气液分层两相流波动形态数值模拟方法。

背景技术

气液分层两相流是一种常见的流动形式，通常包含了不可压缩的液体和可压缩的气体，通过在船舶底部稳定的空气薄层可以将船舶底部与水体完全隔开，在气液分层液面稳定保持的情况下，空气薄层几乎完全消除了局部的摩擦阻力，由此船舶底部的气液分层两相流可以大幅降低船舶摩擦阻力，成为船舶减阻研究领域的重要研究方向。

为了获得较优的减阻效果，需要在船舶底部维持稳定的大面积覆盖的气液分层两相流，但是气液分层两相流的液面波动过大时会导致液面失稳和气层破碎，影响分层两相流的稳定性，从而影响减阻效果，所以在船舶设计阶段需要对船舶底部的气液分层两相流进行波动形态模拟以优化空气薄层的设计方案，从而使得船舶在投入使用时可能尽可能维持稳定的气液分层两相流以获得较好的减阻效果。

但是在两相流中，混合流体不仅与环境及邻近结构发生能量、动量和压力的相互作用，而且气相和液相也会相互影响，也会发生相变，因此两相流的波动形态相比于正常的单相流更为复杂。因此目前在利用各类商用流体力学计算软件进行数值仿真时，往往需要调用大量计算资源，且需要耗费较多的计算时间，导致船舶设计周期变长。而水池试验的方式的实施难度和实施成本同样较高，也难以适用。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种船底气液分层两相流波动形态数值模拟方法，本申请的技术方案如下：

一种船底气液分层两相流波动形态数值模拟方法，该方法包括：

构建船舶底部的气液分层两相流区域对应的平面的计算域并对计算域进行网格划分得到若干个网格单元；

将船舶气腔结构的前缘台阶的后缘边界投影到计算域、将计算域划分为靠近来流方向的上游台阶区域和远离来流方向的下游液面波动区域，上游台阶区域对应于船舶气腔结构的前缘台阶，下游液面波动区域对应于船舶气腔结构的气液交界面；

基于伯努利方程构建与液面速度u和水波高度y_c相关的求解方程，液面速度和水波高度y_c均与计算域中各个网格单元处的点源的强度相关，且上游台阶区域内各个网格单元的点源的强度基于来流水速U₀确定；

对求解方程在计算域上进行边界元积分求解得到下游液面波动区域内各个网格单元处的点源的强度；

基于计算域内所有网格单元处的点源的强度计算得到气液分层两相流区域的水波高度y_c，得到气液分层两相流的波动形态的数值模拟结果。

其进一步的技术方案为，计算域为矩形结构，划分得到的各个网格单元为正方形结构，计算域在x方向包括若干列网格单元、在z方向包括若干行网格单元；基于计算域内所有网格单元处的点源的强度计算得到气液分层两相流区域的水波高度y_c，包括确定每一行的网格单元对应的水波高度为：