CN107832552A - 一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法 - Google Patents
一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，通过将计算域进行分块，划分为静止计算域、航行器计算域、螺旋桨计算域，其中静止计算域为对整体计算域中切除一个包含水下航行器几何模型的圆柱计算域后得到的计算域；被切除的圆柱计算域沿圆柱轴向分为航行器计算域、螺旋桨计算域以及两端的圆柱段计算域；本发明突破传统的整个计算域采用单一网格划分的限制，对不同的子块分别进行结构网格划分，解决了现有网格数量大、局部网格质量差、动网格设置困难等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，能够用于水下航行器回收过程非线性非定常流场数值模拟研究。
背景技术
水下航行器目前在军用和民用领域都发挥着越来越重要的作用，大航程、长航时、高效率成为研究水下航行器的重要技术指标。但是由于其携带能源的限制，故水下航行器水下作业时间和作业效率受到极大的影响，因此目前世界各国都在研究水下水下航行器的回收技术来提高AUV的作业时间及效率。目前研究水下航行器回收过程主要包括数值模拟研究及实验研究，由于数值研究方便快捷，故成为研究水下航行器回收的主要手段，而网格划分又是数值研究的前处理阶段，同时是数值研究最重要的环节。由于航行器回收过程与回收装置具有极小的间隙，能够产生非定常、非线性的间隙流，故数值模拟航行器回收对计算域网格划分的精度、质量等都要求极高。
参照图1。文献“Hydrodynamic analysis of AUV underwater docking with acone-shaped dock under ocean currents,Ocean Engineering,2014,85(2014):110-126”介绍了一种整个计算域均为非结构网格的传统网格划分方法。针对水下航行器回收过程这一特殊问题，非结构网格计算域的网格单元数目相对较大，且局部网格质量较差。同时由于要运用动网格技术模拟水下航行器回收过程，故非结构网格容易造成动网格设置困难以及计算发散等问题。
发明内容
为了对水下航行器回收过程的力学特性及流场特性展开数值模拟，本发明提供了一种新的水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，通过将计算域进行分块，突破传统的整个计算域采用单一网格划分的限制，对不同的子块分别进行结构网格划分，解决了现有网格数量大、局部网格质量差、动网格设置困难等问题。
本发明的技术方案为：
所述一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在三维几何软件中建立航行器模型及回收装置模型，并将航行器模型及回收装置模型导入网格划分软件中；
步骤2：在网格划分软件中创建流体计算域，通过点建立线，然后由线创建面，分别进行part定义；
步骤3：对步骤2建立的计算域进行分割，得到的计算子域包括静止计算域、航行器计算域、螺旋桨计算域；所述静止计算域为对步骤2建立的计算域中切除一个包含水下航行器几何模型的圆柱计算域后得到的计算域；被切除的圆柱计算域沿圆柱轴向分为航行器计算域、螺旋桨计算域以及两端的圆柱段计算域；将分割后的计算子域分别保存为不同几何文件；
步骤4：网格划分软件分别打开步骤3保存的各个几何文件，并分别进行以下处理：
对于静止计算域：
首先创建整体block，然后创建三层内O-block，分别进行点、线、面映射，再删除无用的block；其中三层内O-block的第一层与回收装置模型的扩张段最大直径映射，第二层与回收装置模型的圆柱段直径映射，第三层与被切除的圆柱计算域外径映射；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密，对于回收装置模型圆柱段与被切除的圆柱计算域之间的狭窄间隙的网格节点均匀设置；
最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于航行器计算域：
首先创建整体block，然后创建两层内O-block，分别进行点、线、面映射，再删除无用的block；其中两层内O-block的第一层与航行器模型外径映射，第二层与航行器模型头部及尾部圆映射；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于螺旋桨计算域：将螺旋桨模型按照桨叶数进行等分，仅取其中一个等份进行网格划分：
首先创建整体block，根据线映射关系进行block分割，建立桨叶的面映射关系，再删除桨叶对应的block，并将叶梢与叶根处的block进行融合；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于圆柱段计算域：
首先创建整体block，然后创建一层内O-block，而且网格沿着轴向的节点分布均匀，再删除无用的block；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
步骤5：将不同计算域的网格文件读入网格划分软件并进行融合，将最后融合的整体文件导出为网格文件存储。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，其特征在于：被切除的圆柱计算域直径比水下航行器几何模型外径大10mm。
进一步的优选方案，所述一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，其特征在于：网格划分软件采用ICEM。
有益效果
本发明的有益效果是，针对水下航行器回收过程中与回收装置的间隙较小易产生非线性非定常间隙流这一复杂流场问题，利用网格划分软件ICEM将计算域分割为不同的子域，分别对各个子域进行单独结构网格划分。使用本发明方法可以有效提高网格质量，显著降低网格数目。通过该网格划分方法，可以将网格质量控制在300万左右，大幅度缩短了计算时间，降低了计算消耗内存，有效提高了计算效率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是背景技术中的传统方法的整体网格及切面网格。
图2是本发明的三维几何软件所创建几何模型。
图3是本发明的静止计算域整体网格。
图4是本发明的静止计算域切面网格及局部放大图。
图5是本发明航行器计算域整体网格及切面网格。
图6是本发明螺旋桨计算域整体网格及部分网格线映射关系与面网格。
图7是本发明圆柱段计算域整体网格以及切面网格。
图8是本发明所有计算域网格融合后的切面网格。
图中：1-回收装置模型，2-航行器模型，3-螺旋桨模型，4-圆柱计算域，5-静止计算域整体网格，6-回收装置模型与航行器模型狭窄间隙，7-航行器计算域，8-航行器计算域网格整体网格，9-螺旋桨计算域，10-螺旋桨1/4计算域线映射关系，11-螺旋桨1/4计算域面网格，12-圆柱段计算域切面网格，13-圆柱段计算域整体网格。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照图2，本发明所研究几何模型包括回收装置1、航行器2以及尾部螺旋桨3。通过本发明提出的水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，通过将计算域进行分块，突破传统的整个计算域采用单一网格划分的限制，对不同的子块分别进行结构网格划分，解决了现有网格数量大、局部网格质量差、动网格设置困难等问题，得到划分质量高、数量少的结构化网格来展开数值计算，以探索水下航行器回收过程的力学特性以及流场特性。
主要包括以下步骤：
步骤1：在三维几何软件UG中建立航行器模型2及回收装置模型1，并将航行器模型2及回收装置模型1导入网格划分软件ICEM中。
步骤2：在网格划分软件中创建流体计算域，通过点建立线，然后由线创建面，分别进行part定义。
步骤3：由于航行器模型2与回收装置模型1的圆柱段间隙较小，故划分计算域时较为困难。所以采用以下方式对步骤2建立的计算域进行分割，得到的计算子域包括静止计算域、航行器计算域、螺旋桨计算域。
所述静止计算域为对步骤2建立的计算域中切除一个包含水下航行器几何模型的圆柱计算域4后得到的计算域；被切除的圆柱计算域直径比水下航行器几何模型外径大10mm；被切除的圆柱计算域沿圆柱轴向分为航行器计算域7、螺旋桨计算域9以及轴向前后两端的圆柱段计算域；将分割后的计算子域分别保存为不同几何文件。
步骤4：运用网格划分软件ICEM分别打开步骤3保存的各个几何文件，并分别进行以下处理：
对于静止计算域：
参照图4，首先创建整体block，然后创建三层内O-block，分别进行点、线、面映射，再删除无用的block；其中三层内O-block的第一层与回收装置模型1的扩张段最大直径映射，第二层与回收装置模型1的圆柱段直径映射，第三层与被切除的圆柱计算域4外径映射；所述映射方法可以显著地使网格过渡均匀，提高数值计算收敛性；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密，同时保证网格疏密过渡均匀且长宽比较小；对于回收装置模型1圆柱段与被切除的圆柱计算域4之间的狭窄间隙6的网格节点均匀设置；
最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于航行器计算域：
参照图5，首先创建整体block，然后创建两层内O-block，分别进行点、线、面映射，再删除无用的block；其中两层内O-block的第一层与航行器模型2外径映射，第二层与航行器模型头部及尾部圆映射；该映射方法可以使网格的正交率更高，从而有效提高了网格质量；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密，同时保证网格疏密过渡均匀且长宽比较小；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于螺旋桨计算域：参照图6，由于螺旋桨计算域9是个回转对称体，且整体画结构网格较为困难，故将4叶螺旋桨模型3进行4等分，仅取1/4螺旋桨计算域9进行网格划分：
首先创建整体block，根据线映射关系10进行block分割，分割后建立桨叶的面映射关系，再删除桨叶对应的block，并将叶梢与叶根处的block进行融合；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密，同时保证网格疏密过渡均匀且长宽比较小；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；在螺旋桨1/4计算域面网格11中可以看出网格节点在叶根与叶梢处均有加密，该划分方法可以更好地捕获螺旋桨3桨叶引起的流动分离流场信息；
对于圆柱段计算域：
参照图7，首先创建整体block，然后创建一层内O-block，而且网格沿着轴向的节点分布均匀，再删除无用的block；由于在航行器回收过程中会引起网格坍塌与重新生成，网格节点分布均匀可以提高计算精度；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密，同时保证网格疏密过渡均匀且长宽比较小；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储。
参照图8，本发明所述网格划分方法将整个计算域分为4类子计算域，分别划分结构化网格，而且网格过渡比较均匀，更加适合展开数值计算。
步骤5：将不同计算域的网格文件读入网格划分软件并进行融合，将最后融合的整体文件导出为网格文件存储。将生成的网格文件导入流体计算软件FLUENT展开流体计算，运用动网格技术实现水下航行器及螺旋桨的直线运动及旋转运动，最终获得水下航行器回收过程的力学特性以及流场特性。
本发明所述网格划分方法可以有效降低网格数目，提高网格质量，从而有效缩短了数值计算时间，且使数值计算精度更高。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：在三维几何软件中建立航行器模型及回收装置模型，并将航行器模型及回收装置模型导入网格划分软件中；
步骤2：在网格划分软件中创建流体计算域，通过点建立线，然后由线创建面，分别进行part定义；
步骤3：对步骤2建立的计算域进行分割，得到的计算子域包括静止计算域、航行器计算域、螺旋桨计算域；所述静止计算域为对步骤2建立的计算域中切除一个包含水下航行器几何模型的圆柱计算域后得到的计算域；被切除的圆柱计算域沿圆柱轴向分为航行器计算域、螺旋桨计算域以及两端的圆柱段计算域；将分割后的计算子域分别保存为不同几何文件；
步骤4：网格划分软件分别打开步骤3保存的各个几何文件，并分别进行以下处理：
对于静止计算域：
首先创建整体block，然后创建三层内O-block，分别进行点、线、面映射，再删除无用的block；其中三层内O-block的第一层与回收装置模型的扩张段最大直径映射，第二层与回收装置模型的圆柱段直径映射，第三层与被切除的圆柱计算域外径映射；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密，对于回收装置模型圆柱段与被切除的圆柱计算域之间的狭窄间隙的网格节点均匀设置；
最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于航行器计算域：
首先创建整体block，然后创建两层内O-block，分别进行点、线、面映射，再删除无用的block；其中两层内O-block的第一层与航行器模型外径映射，第二层与航行器模型头部及尾部圆映射；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于螺旋桨计算域：将螺旋桨模型按照桨叶数进行等分，仅取其中一个等份进行网格划分：
首先创建整体block，根据线映射关系进行block分割，建立桨叶的面映射关系，再删除桨叶对应的block，并将叶梢与叶根处的block进行融合；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
对于圆柱段计算域：
首先创建整体block，然后创建一层内O-block，而且网格沿着轴向的节点分布均匀，再删除无用的block；
之后设置网格节点数目，其中对于靠近壁面的网格节点进行加密；最后生成六面体结构网格，检查网格质量合格后转成非结构网格并导出网格文件存储；
步骤5：将不同计算域的网格文件读入网格划分软件并进行融合，将最后融合的整体文件导出为网格文件存储。
2.根据权利要求1所述一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，其特征在于：被切除的圆柱计算域直径比水下航行器几何模型外径大10mm。
3.根据权利要求1所述一种水下航行器回收非定常流场分块结构网格划分方法，其特征在于：网格划分软件采用ICEM。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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