[发明专利]一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法

摘要

本发明提供一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，包括：基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到所述液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和所述液舱侧壁感受到的合力；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制，所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值；根据所述最优渗水率确定所述阻晃隔板形状。本发明实现了考虑带自由液面的可压缩两相流剧烈运动情况下，液舱内抑制可压缩流体运动的隔板形状的优化设计。

主权项

1.一种抑制可压缩两相流晃荡的隔板优化方法，其特征在于包括：基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和液舱侧壁感受到的合力；基于拓扑优化方法并结合带有自由液面的可压缩两相流运动算法，以所述合力为目标函数、所述隔板的渗水率为优化变量对所述阻晃隔板的渗水率进行最优控制；所述渗水率为所述阻晃隔板上挖空面积与阻晃隔板总面积的比值；根据所述最优渗水率确定所述阻晃隔板形状；所述基于有限体积法并结合流体体积法，求解可压缩纳维斯托克斯方程组，得到所述液舱内加入阻晃隔板后可压缩流体晃荡的流速和所述液舱侧壁感受到的合力，包括：建立添加阻晃隔板的液舱计算模型并采用六面体结构化网格划分计算域，隔板上每个网格均具有所述渗水率；设置两种等温不混溶可压缩流体计算域、自由液面高度、气体和流体的密度、两相流的运动粘度系数物理参量；根据所述流体计算域、液面高度和液舱主尺度计算自由液面晃荡的固有频率，流经隔板的流体相对速度始终为0，给出边界条件和初始条件；根据所述自由液面晃荡的固有频率设置液舱晃动激励频率，使得激励频率在逼近共振频率，采用动网格技术模拟液舱受迫往复振荡的工况，阻晃隔板与液舱具有相同的运动；建立所述可压缩流体运动的纳维斯托克斯方程组，选择可压缩流体体积法追踪和捕捉可压缩两相流界面，使用有限体积法离散可压缩纳维斯托克斯方程组，通过压力修正法求解离散后的代数方程组，迭代得到液舱内可压缩流体晃荡的流速场和压力场的收敛解；对所述液舱侧壁处压力场积分，进而给出所述液舱侧壁所感受到的合力；所述可压缩流体运动的可压缩纳维斯托克斯方程组，包括：(1)连续性方程其中，ρ为密度[kgm^‑3]，U为流速[ms^‑1]，t为时间[s]；针对可压缩流体，不同液相或气相的连续性方程：其中，下标i为相，α为气体或流体在计算单元内的体积分数；(2)可压缩纳维斯托克斯方程即动量方程：其中，P为压力[Pa]，μ为动力粘性系数[kgm^‑1s^‑1]，g为重力加速度[ms^‑2]，Γ为两相流交界面，δ(x‑x_s)为三维狄拉克δ函数，x是坐标向量，x_s是两相流交界面处坐标向量，表面张力项采用连续表面力(continuum surface force)计算，表面张力项的积分求解按下式计算：其中，Ω_i为第i个计算单元，Γ∩Ω_i为Ω_i中的两相流交界面部分，σ为两相流交界面张力，κ为两相流交界面的曲率系数，n为两相流交界面单位法向矢量，α₁为相1的体积分数，两相流交界面的曲率根据体积分数α₁计算：(3)状态方程：ρ_i＝ρ_0i+ψ_iP                        (5)其中，ρ₀为标准密度[kgm^‑3]，ψ为压缩性[s²m^‑2]，ψ＝1/c²，c为在流体中声音传播的速度[ms^‑1]，根据不同相在空间的体积分数，有：其中，α₁+α₂＝1，α₂为相2的体积分数；(4)相连续方程：其中，U_r为相对速度，U_r＝U₁‑U₂，dgdt为压缩项：