[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

摘要

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。

主权项

1.基于网格控制的近水面滑行跳跃流固耦合数值预测方法，其特征在于：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Dirac Delta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)：式中，表示函数对相应的变量求偏导数，ρ为流体的密度，t为时间，u_i、u_j代表流体的速度分量，x_i、x_j代表流体的位置分量，p为流场入口处压强，μ_l和μ_t分别为流体的层流和紊流粘性系数；湍流模型为SSTk‑ω湍流模型，包括湍流动力粘性系数μ_t(5)、湍动能k(6)和比耗散率ω(7)：式中，为ρ为流体的密度，α₁为经验常数，S为剪切力张量的常数项；x_j为坐标向量；u_i为速度分量；Γ_k、Γ_ω分别代表k和ω的有效耗散系数；G_k为由于平均速度梯度而导致的湍流动能k产生项；G_ω为ω产生项；Y_k、Y_ω分别表示k和ω的湍流耗散项；D_ω为交叉耗散项；S_k、S_ω为源项；刚体运动方程为包括平动方程(8)和旋转方程(9)：M＝Iα+ω×Iω＝M_fluid+M_ext  (9)式中，m为刚体质量，为刚体的质心加速度，F为所有外力的矢量和，F_fluid为流体作用力，g为重力加速度，α为角加速度，ω为加速度，M_fluid为流体力矩，M_ext为其他外力矩，(x_G,y_G,z_G)为刚体质心坐标；步骤四：进行近水面滑行跳跃非定常流场的流固耦合数值计算；采用步骤三建立的流体力学模型对三维流域近行非定常流场数值计算；在计算流体动力学(CFD)求解器中，对计算参数进行初始化；所述的对计算参数进行初始化的方法为：外域的流场入口、出口及前后边界给定开放条件，上下边界为无滑移、光滑壁面边界条件；外域、中域和内域的接触面均为交界面；内域中触水物体的壁面给定为流固耦合刚体模型，并建立刚体相对于外域x和y方向位移D_x和D_y的表达式和网格质量判断公式；基于上述边界条件和初始条件，进行近水面滑行跳跃非定常流场的流固耦合数值计算的方法为：步骤4.1，对流固耦合刚体进行计算，对刚体运动方程的平动方程(8)和旋转方程(9)进行离散求解，计算出流固耦合刚体的运动位移；步骤4.2，把求得的刚体的运动位移作为流场网格的变形，对气液界面捕捉模型，即式(1)和式(2)、流场控制方程式(3)和式(4)和湍流模型式(5)、式(6)和式(7)进行离散求解，得出外域网格变形数据，即刚体在x和y方向位移；步骤4.3，根据步骤4.2得到的外域网格变形数据和步骤四的网格质量判断公式，基于计算流体力学求解器进行网格控制，即对外域网格进行更新；步骤4.4，用步骤4.3更新后的外域网格替换旧网格，进行流场的非定常计算；步骤4.5，重复步骤4.1至步骤4.4，直至达到预定求解时间或者数值计算结果收敛，得到近水面滑行跳跃的随时间演化的过程，即实现了对近水面滑行跳跃过程的预测。