CN106650046B - 一种舰船空气流场的非定常特性获取方法 - Google Patents

Abstract

一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，首先对舰船模型进行简化，对舰船计算域进行网格划分，然后修正非定常湍流模型，设定非定常特性计算参数，计算得到空气流场的非定常特性，最后验证空气流场的非定常特性及确定选定网格，根据选定网格及对应空气流场的非定常特性计算得到直升机起降过程的瞬时速度载荷、平均载荷。本发明使用脱体涡模拟方法研究舰船艉部非定常流场特性，相对于定常湍流计算方法，提高对艉流场预测精度，使用熵函数确定边界层的范围，构建新的脱体涡模拟方法，减小对网格的依赖性，具有很好的使用价值。

Description

一种舰船空气流场的非定常特性获取方法

技术领域

本发明涉及舰船空气流场领域，特别是一种舰船空气流场的非定常特性获取方法。

背景技术

受机库及舰船上层建筑的影响，甲板上方空气流场存在下洗、侧洗以及非定常的湍流脉动。对于舰船艉部流场的研究，一般来说，CFD技术具有成本低、耗时小、流场信息丰富且可模拟各种不同工况等独特优点，故其逐渐成为流动分析的重要手段。舰船艉部流场属于大分离湍流流动，目前对湍流的数值模拟方法主要有三种：雷诺平均N-S方程方法(Reynolds Averaged Navier-Stokes，简称RANS)、大涡模拟(Large Eddy Simulation，简称LES)和直接数值模拟(Direct Numerical Simulation，简称DNS)，这三者对于流场分辨率的要求上有本质的区别，其特点简述如下。

RANS方法：RANS把湍流分解为平均运动与脉动运动，只计算大尺度平均流动，所有湍流脉动对平均流动的作用即雷诺应力，用各式各样的模型假设封闭。这种平均运算将脉动运动的行为细节一律抹平，丢失了脉动运动中的大量有重要意义的信息。艉部湍流运动中除了随机性很强的小尺度涡运动，还存在着组织得相当好的大尺度涡结构，但所有湍流模型理论对此均无能为力。

LES方法：LES中负责质量、动量和能量输运的大涡被直接求解，小涡对大涡运动的影响是通过一定的模型来模拟。LES方法对网格的要求较高，对与实际工程中的流动计算而言，其所需的网格数量依然过于庞大，以至于其应用受限。

DNS方法：DNS不引入任何湍流模型，直接数值求解三维非定常N-S方程，对湍流中所有尺度的运动进行求解，采用的数值方法多数是谱方法或伪谱法。理想的DNS几乎满足研究者的所有需要：方程本身精确，误差仅来自于数值方法；可精确控制流动条件；可提供每一瞬间的全场流动信息等。但DNS的致命缺陷是计算量过大，湍流DNS计算中，DNS的计算量是相当惊人的，对于目前的硬件条件而言，无论是CPU速度还是所需内存量，直接数值模拟高雷诺数湍流都是不现实的，目前限于较低的Re数和几何外形较简单的问题，如平板边界层、完全发展的槽道流动等，在工程领域的实际问题，近年看不到进行全流场计算研究的希望。因此目前DNS只能作为研究工具，而不是工程问题的解决手段。

为了适应工程中流动非定常特性的研究需求脱体涡模拟方法(DES)得到了发展，其是目前研究工程非定常湍流流动特性最为有效的方法。DES模型在边界层内采用URANS方法，在分离区内采用LES方法，常被称为混合LES/RANS模型。但现有的DES方法对网格依赖性较大，尤其是边界层网格过密时会引起非物理的流动分离，从而降低对非定常流动特性的预测精度。

受计算模型和计算资源的限制，目前国内对舰船艉部流场的CFD仿真均采用RANS方法，且大多停留在定常计算当中。究其原因，一方面由于舰船上层建筑复杂，另一方面商业CFD软件大多采用低阶高耗散数值格式，并自动化生成非结构网格，导致网格量巨大，若进行非定常精细化计算需要消耗巨大的计算资源。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，相对于商业CFD软件低阶定常非结构网格这种常规计算模式，在脱体涡方法的基础上进行计算模型改进，针对艉部大分离流动，集中发展高精度、高保真的非定常艉流场CFD模拟技术，精细刻画艉部涡团的产生、发展、耗散等时空间历程，从流动本质上探讨艉部涡流的形成机制、影响范围，得到艉流场的非定常特性。

本发明的技术解决方案是：一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，包括如下步骤：

(1)对舰船模型进行简化；

(2)对舰船计算域进行网格划分；

(3)修正非定常湍流模型；

(4)设定非定常特性计算参数；

(5)计算得到空气流场的非定常特性；

(6)验证空气流场的非定常特性及确定选定网格；

(7)根据选定网格及对应空气流场的非定常特性计算得到直升机起降过程的瞬时速度载荷、平均载荷。

所述的对舰船模型进行简化的方法包括如下步骤：

(1)获取当前舰船的二维CAD模型并判断，若舰船机库前方存在细微结构，则直接在二维CAD模型中将细微结构去掉；所述的细微结构为当量直径小于0.5m的舰船结构或者舰船上的多孔网状结构；

(2)若舰船机库上方与后方存在非钝体形状的细微结构，则在二维CAD模型中将当前非钝体形状的细微结构去掉，然后使用三维建模软件得到CFD计算所需的舰船三维模型。

所述的对舰船计算域进行网格划分的方法为：

对舰船三维模型进行网格划分，得到第一网格、第二网格、第三网格，其中，第一网格、第二网格、第三网格的计算域相同，且均为结构网格，第二网格的网格单元为第一网格的网格单元的倍、第三网格的网格单元为第二网格的网格单元的倍，第一网格、第二网格、第三网格的最小网格体积大于零。

所述的修正非定常湍流模型的方法为：

将Spalart-Allmaras方程湍流模型中的长度尺度d_w进行了修正

d＝d_w-f_s max(0,d_w-C_DESΔ)

其中，μ为分子动力粘性系数，μ_t为涡粘性系数，u_i代表坐标轴i方向的速度，i＝x、y或者z，x_j代表坐标轴j，j＝x、y或者z，P为当地大气压力，T为当地温度，为空气的热导率，γ＝1.4，R＝287J/kg·K，Pr＝0.72，Pr_t＝0.72，l_s＝d/C_DESΔ，C_DES＝0.65，d为网格点到壁面的距离，Δ＝max(Δx,Δy,Δz)为网格单元三方向的最大长度。

所述的设定非定常特性计算参数为：

特征长度为100m的舰船以20m/s在30°风向角下航行，室外温度为25℃，压力为标准大气压，雷诺数为2.0×108，壁面温度为25℃，出口压力为101325Pa。

所述的计算得到流场的非定常特性的方法包括如下步骤：

将舰船三维模型对应的第一网格、第二网格、第三网格导入到CFD求解器，使用修正非定常湍流模型计算得到空气流场的非定常特性。

所述的验证空气流场的非定常特性及确定网格的方法为：

如果第一网格、第二网格、第三网格计算得到空气流场的非定常特性稳定并均与试验结果一致，则选定第一网格、第二网格、第三网格网格数量最小的网格作为选定网格；否则增加第一网格、第二网格、第三网格的网格数量，转入步骤(2)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明使用脱体涡模拟方法研究舰船艉部非定常流场特性，相对于定常湍流计算方法，提高对艉流场预测精度；

(2)本发明方法从能量耗散的角度，使用熵函数确定边界层的范围，构建新的脱体涡模拟方法，减小对网格的依赖性；

(3)本发明方法通过对非定常计算结果分析，可获得瞬时速度脉动以及涡量分布，增进了对舰船艉部复杂流场的认知。

附图说明

图1为本发明一种舰船空气流场的非定常特性获取方法流程图。

具体实施方式

本发明针对现有技术的不足，提出一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，相对于商业CFD软件低阶定常非结构网格这种常规计算模式，在脱体涡方法的基础上进行计算模型改进，针对艉部大分离流动，集中发展高精度、高保真的非定常艉流场CFD模拟技术，精细刻画艉部涡团的产生、发展、耗散等时空间历程，从流动本质上探讨艉部涡流的形成机制、影响范围，得到艉流场的非定常特性，下面结合附图对本发明方法进行详细说明，如图1所示为本发明一种舰船空气流场的非定常特性获取方法流程图。

1)对舰船模型进行合理简化

舰船上层建筑普遍十分复杂，存在诸多细微结构，例如天线，炮管，围栏等设备，这些细微结构对艉流场的特性几乎没有影响，但会造成计算网格量成倍增加，大幅提升了非定常数值模拟的难度。另外，舰船边角处可适当进行钝化，以提高网格质量。因此在计算初期需要对舰船模型进行合理简化。简化准则为：

a.获取当前舰船的二维CAD模型，判断当前二维CAD模型，若机库前方存在细微结构(细微结构为当量直径小于0.5m或者多孔网状结构，比如天线、炮管)，则直接在二维CAD模型中将该细微结构去掉，若机库上与后方存在非钝体形状的细微结构，则在二维CAD模型中将当前非钝体形状的细微结构去掉，然后使用三维建模软件(Proe Catia Icem)得到CFD计算所需的三维模型。

2)对舰船计算域进行网格划分及边界条件设定

在网格划分软件(Icem)中建立步骤(1)得到的三维简化模型的三种备选网格，这三种备选网格的计算域相同，均为结构网格,垂直于壁面无量纲化后第一层网格高度约为1，三种网格的网格单元增长率按照倍数逐渐增加，最后进行网格检查，确保三种网格的最小网格体积大于零，否则重新调整网格分布。

3)非定常湍流模型设定

本发明提出基于熵概念的DES方法，构建熵函数预测边界层范围，从而克服DES方法网格依赖性的问题。该方法将Spalart-Allmaras方程湍流模型中的长度尺度d_w进行了修正：

d＝d_w-f_smax(0,d_w-C_DESΔ) (1)

其中f_s为熵函数，如下式所示：

其中为比熵增，表征粘性耗散占总耗散能中的比率：

其中： μ为分子动力粘性系数，μ_t为涡粘性系数，u_i为当地速度张量(i＝1,2,3，i不等于j)代表任意坐标系中三个坐标轴方向的速度(在直角坐标系中，x_i，i＝1,2,3分别表示x轴，y轴和z轴)。P和T分别为当地压力和温度。为空气的热导率，为定容比热。其它常数为：γ＝1.4，R＝287J/kg·K，Pr＝0.72，Prt＝0.72。

长度尺度l_s表示为：

l_s＝d/C_DESΔ (4)

其中C_DES＝0.65，为经验常数，d为网格点到壁面的距离，Δ＝max(Δx,Δy,Δz)为网格单元三方向最大长度。

经过修正后，解除了模型对网格的依赖性，这样在边界层附近可以确保RANS模型的启动。

4)数值计算参数设定

对来流速度、来流雷诺数、壁面温度、出口压力等参数按照实际工况进行设定。如特征长度为100m的舰船以20m/s、30°风向角航行，室外温度为25℃，压力为标准大气压。此时入口边界中速度即设为20m/s，雷诺数为2.0×108，壁面温度为25℃，出口压力为101325Pa。

5)数值计算

将步骤2)得到的三维简化模型对应的网格导入到CFD求解器中，选择步骤3)中修正后的DES模型，并运用五阶WENO格式作为空间对流项的控制精度、四阶中心差分格式作为粘性项、LU-SGS隐式方法作为时间推进方法。然后使用内迭代的双时间步实现CFD模型时间精度的控制，使用OpenMP并行计算技术缩短计算时间，计算得到流场的非定常特性(涡脱落频率、瞬时速度和瞬时涡量等)。其中，非定常特性的计算利用有限体积法求解雷诺平均方程，计算迭代的时间步长基于CFL准则进行选取，迭代计算的时间步根据具体问题进行设定，一般至少计算10个周期的时间。

6)数值方法可靠性验证及网格确定

选择国际标准船模进行验证计算，将步骤5)所得结果与国际标准船模的试验结果进行比较，以验证网格无关性和所采用数值方法的可靠性：将步骤2)中所建的三种备选网格按照步骤3)和4)中方法进行设定并进行数值计算，提取流场中速度与实验结果进行比较，当这些结果趋于稳定并均与试验结果一致时，则选定满足条件中网格数量最小的网格作为下面数值计算的选定网格；否则继续增加网格数量，从步骤2)重新开始。

7)计算结果后处理及非定常特性分析

计算结果包括流场非定常结果以及时间平均结果。通过对艉流场非定常结果分析，研究流动结构随时间的演化过程，获得艉流场中非定常特性，如瞬时速度分量、瞬时涡量等，进而可以得到直升机起降过程中瞬时速度脉动载荷。通过对时间平均结果的分析，研究艉流场速度分布的统计特性，包括平均速度分量，湍流脉动速度分量，平均涡量等，进而可以得到直升机起降过程中平均载荷。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对舰船模型进行简化；

(2)对舰船计算域进行网格划分，得到多个网格；

(3)修正非定常湍流模型；所述的修正非定常湍流模型的方法为：

将Spalart-Allmaras方程湍流模型中的长度尺度d_w进行了修正

d＝d_w-f_s max(0,d_w-C_DESΔ)

其中，μ为分子动力粘性系数，μ_t为涡粘性系数，u_i代表坐标轴i方向的速度，i＝x、y或者z，u_j代表坐标轴j方向的速度，j＝x、y或者z，x_i代表坐标轴i，i＝x、y或者z，x_j代表坐标轴j，j＝x、y或者z，P为当地大气压力，T为当地温度，为空气的热导率，γ＝1.4，R＝287J/kg·K，Pr＝0.72，Pr_t＝0.72，l_s＝d/C_DESΔ，C_DES＝0.65，d为网格点到壁面的距离，Δ＝max(Δx,Δy,Δz)为网格单元三方向的最大长度；

(4)设定非定常特性计算参数；

(5)计算得到空气流场的非定常特性；

(6)验证空气流场的非定常特性及确定选定网格；

(7)根据选定网格及对应空气流场的非定常特性计算得到直升机起降过程的瞬时速度载荷、平均载荷。

2.根据权利要求1所述的一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，其特征在于：所述的对舰船模型进行简化的方法包括如下步骤：

(1)获取当前舰船的二维CAD模型并判断，若舰船机库前方存在细微结构，则直接在二维CAD模型中将细微结构去掉；所述的细微结构为当量直径小于0.5m的舰船结构或者舰船上的多孔网状结构；

(2)若舰船机库上方与后方存在非钝体形状的细微结构，则在二维CAD模型中将当前非钝体形状的细微结构去掉，然后使用三维建模软件得到CFD计算所需的舰船三维模型。

3.根据权利要求1或2所述的一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，其特征在于：所述的对舰船计算域进行网格划分的方法为：

对舰船三维模型进行网格划分，得到第一网格、第二网格、第三网格，其中，第一网格、第二网格、第三网格的计算域相同，且均为结构网格，第二网格的网格单元为第一网格的网格单元的倍、第三网格的网格单元为第二网格的网格单元的倍，第一网格、第二网格、第三网格的最小网格体积大于零。

4.根据权利要求1或2所述的一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，其特征在于：所述的设定非定常特性计算参数为：

特征长度为100m的舰船以20m/s在30°风向角下航行，室外温度为25℃，压力为标准大气压，雷诺数为2.0×108，壁面温度为25℃，出口压力为101325Pa。

5.根据权利要求1或2所述的一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，其特征在于：所述的计算得到流场的非定常特性的方法包括如下步骤：

将舰船三维模型对应的第一网格、第二网格、第三网格导入到CFD求解器，使用修正非定常湍流模型计算得到空气流场的非定常特性。

6.根据权利要求1或2所述的一种舰船空气流场的非定常特性获取方法，其特征在于：所述的验证空气流场的非定常特性及确定网格的方法为：

如果第一网格、第二网格、第三网格计算得到空气流场的非定常特性稳定并均与试验结果一致，则选定第一网格、第二网格、第三网格网格数量最小的网格作为选定网格；否则增加第一网格、第二网格、第三网格的网格数量，转入步骤(2)。