CN111814366B - 一种内波与通气空泡作用的预报方法 - Google Patents

一种内波与通气空泡作用的预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内波与通气空泡作用的预报方法，本方法基于三维几何建模方法建立航行体模型及三维计算流域，基于网格划分方法划分计算流域网格、以及建立自然空化及通气空化的多相计算流体力学模型，设置初始边界条件进行三维计算域的流场数值计算；当空化现象达到稳定周期时、耦合内波模型，计算内波对空泡形态作用及流场水动力；基于后处理程序对计算结果进行处理分析，获得内波对空泡形态变化的影响。该方法可以应用于对多相的空化及通气空化流动的流场计算，可以对空化形态和流场的水动力进行精细的计算，可数值模拟计算空化及通气空化达到稳定状态下、航行体遭遇内波时空泡形态的演变及水动力学的变化过程。

Description

一种内波与通气空泡作用的预报方法
技术领域
本发明涉及海下航行分析技术领域，尤其涉及一种内波与通气空泡作用的预报方法。
背景技术
空化现象发生于高速水流的低压区域,是包含剧烈相间质量、动量和能量交换,相变和湍流的复杂多相流动,是水力机械、船舶螺旋桨、水下超空泡武器、高速水下航行体等工作中不可避免的现象,空化的发生会诱导剧烈的压力脉动、振动和噪声。对空化机理的深入认识,是工程上有效抑制不利空化发生、规避空化破坏的前提,具有重要科学意义和工程价值。通气空化可以改变空泡的形态和周期以及压力脉动，可以改善空化的不稳定性和其带来的副作用。空化以不同尺度蒸汽空穴的产生、聚合、溃灭为特征,具有复杂的空泡/空泡团-湍流结构相互作用,精确地实验测量非常困难,数值模拟是空化研究的重要手段。
空化流动研究一般不考虑波浪对空泡的影响，然而在海洋中、广泛存在内波以及小规模的海洋内部波动。然而，哪怕较小速度的海洋波动仍然会对通气空化或者空化现象产生较大的影响。海洋的波动会影响空泡的闭合形式以及压力波动，探究内波对空泡形态的影响为研究水下高速航行体以及超空泡水下武器的研发可提供良好的研究基础和理论支持。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种内波与通气空泡作用的预报方法，该方法解决的技术问题是实现内波对空泡形态及流场特性的数值模拟研究，有助于对数值造波和空化、通气空化物理机制的研究，深入了解内波对通气空化的物理过程的影响，能够应用于空化、通气空化领域并解决相关的工程问题。具体方法包括如下步骤：
步骤一：基于几何建模方法建立模型及计算流域
为了保证计算时，内波来流的稳定，应保证一定的来流距离和去流距离。将空化器前端到速流域入口为来流段，空化器尾端到流域出口为去流段，来流段至少1.5倍波长以保证来流稳定，去流段至少两倍波长来捕捉尾迹变化，空化器位置位于计算域的中心位置。空化器的直径和流域大小应保证一定比例，以保证合适的阻塞率。其中所述来流段，去流段，以及流体区域大小根据计算精度和效率综合确定。
步骤二：基于网格划分方法划分三维流域网格
对于步骤一中的流域进行三维网格划分，将水翼周围进行网格加密，以捕捉更多流动细节，并对空化器选定区域进行加密，通过加密选定区域实现精确捕捉空泡输运，脱落的细节以及流场压力变化。所述选定加密区域长度由空泡脱落位置决定。由于通气空化预计达到超空化的效果，应对整个空化器周围进行加密，加密区域为空化器直径D的二倍，长度为前端2D，尾端2D即可。其中所述选定加密区域还应考虑通气空化的通气区域。应对通气区域进行更细致的加密、保证库朗数接近于1，以保证通气空化形态及压力计算的准确性。
步骤三：建立空化、通气空化模型和内波模型
建立计算内波情况下通气空化流动的流体力学模型，包括空化模型，湍流模型和内波模型。
步骤3.1建立内波情况下通气空化演化的质量守恒、动量守恒方程组。
内波情况下通气空化演变的控制方程包括连续性方程和动量方程，分别为：
Figure BDA0002516509860000021
式中，ρm为混合密度，
Figure BDA0002516509860000022
n为多相流的相数，αk为第K相体积分数，ρk为第K相密度。ui为i方向的速度分量，(i为笛卡尔坐标系张量，i，j，k分别代表x，y，z坐标方向)，t为时间。
Figure BDA0002516509860000023
式中，粘性力
Figure BDA0002516509860000024
μm＝αlμl+αgμg+αVμV，αl,αg和αv分别为液相和气相的体积分数，μl，μg和μv分别为液相和气相的粘度。(m,l,g,v分别代表混合相，液相，气相和蒸汽相)。
步骤3.2建立通气空化及空化的湍流模型及空化模型。
湍流模型：
Figure BDA0002516509860000031
Realizablee k-e模型主要对湍流耗散率e方程进行了修改
Figure BDA0002516509860000032
其中
Figure BDA0002516509860000033
模型常数为：C1ε＝1.44,C2＝1.9，σκ＝1.0，σg＝1.2
Realizablee k-e模型这一模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流也有很好的表现。
可实现的K-Epsilon两层模型多相流模型
Figure BDA0002516509860000034
其中涡粘性
Figure BDA0002516509860000035
模型常数为：cμ＝0.09,Cε1＝1.44,Cε2＝1.92,σk＝1.0,σε＝1.3
SS空化模型：
Schnerr and Sauer基于理论提出了下列方程
Figure BDA0002516509860000036
气体的体积分数：
Figure BDA0002516509860000041
其中nb为单位体积液体中旗袍的个数，本文nb＝103
Figure BDA0002516509860000042
Figure BDA0002516509860000043
Figure BDA0002516509860000044
步骤四：设定初始条件，计算空泡变化至其稳定周期
利用流体计算程序中的求解器，选取合步骤三中确立的物理模型，给定三维流域入口为速度入口，给定流体的相的分布和来流速度；设置流场出口为压力出口，给定压力条件；其他流域的边界设置为对称面模拟无界水域，计算空化器表面也设置为壁面；设置整个流场的重力方向和数值，给定参考压力以保证一定的空化数。计算通气空化时，将通气入口设置为质量流量入口，通入适量的气体，对步骤一和步骤二三维计算流域进行求解计算，当空化过程发展完全，空泡形态变化和流场压力变化呈现周期性时，得到空化，通气空化的三维流域数值计算结果。
步骤五：更改边界条件，耦合内波模型，计算内波对通气空化的影响
为了模拟内波作用的过程，需要在步骤四结果的基础上，加入内波模型进行耦合，步骤四流域入口全是密度相同的水，但为了模拟密度分层的内波，需要更改流域入口条件，通入不同密度的水相。具体做法为：更改流域入口条件，采用流体域体积VOF法，定义不同密度的水相的分布，通入该相的位置，此相体积分数为1，不含有此相的地方体积分数设置为0，并分别定义两种液相与通入气相之间的相互作用来模拟密度分层内波对空泡形态的影响。在计算过程中，两个不同的液体相间存在明显的分界面，可以清楚的检测内波传递并作用空泡的整个过程。由于不同密度水造成内波时，密度相差不大，可以用速度入口法对整个流域进行造波，给予整个流域的液相流体同一个速度，使其满足波函数来模拟上下层液相流向相同的内波的传递过程。为保证步骤四中空化或通气空化的计算条件不改变，波的传播速度应和步骤四中流入的水速保持一致，同时增加波函数的速度的函数，使整个流域的两个不同密度的水相以相同速度函数向流域出口传播，形成流向相同的内波。计算内波对空泡形态以及流场的影响，直至空泡形态变化呈现周期性，流场压力周期性变化时，内波对空泡的影响作用计算完成。
进一步的，内波采用数值造波方法中的速度入口法造波，通过给予各相液体速度函数，产生相应的波形。
进一步的，所述的内波不但包括振幅较大的海洋内波，也包括小振幅和短波形的海洋波动。
进一步的，所述的步骤四的结果应是空化、通气空化达到稳定的周期脱落变化后2～3个周期后的结果，波的船舶速度应与步骤四中的流体速度相同，以保证流场条件相同。
步骤六：利用后处理程序，分析结果。
基于流场后处理程序对计算结果进行后处理，得到更多的空化，通气空化，以及内波时非定常空泡演化的过程，所述非定常空泡演化过程包括空泡生长，空泡稳定周期性脱落，内波作用下空泡长度变化，闭合形式的改变，内波传播与空泡之间的相互作用，分析非定常过程中内波对空泡形态的影响，得到空泡在内波作用下的结构演化特性。
步骤七：将步骤一至步骤六方法应用于空化、通气空化、内波数值模拟领域，实现内波对空化，通气空化作用的数值模拟，有助于对空化物理机制的深入研究，并能解决相关的问题。
步骤七所述的内波作用下空化流动数值模拟工程应用领域包括船舶螺旋桨、水下高速航行体、水下超空泡武器应用。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种内波与通气空泡作用的预报方法，本方法基于三维几何建模方法建立航行体模型及三维计算流域，基于网格划分方法划分计算流域网格、以及建立自然空化及通气空化的多相计算流体力学模型，设置初始边界条件进行三维计算域的流场数值计算；当空化现象达到稳定周期时、耦合内波模型，计算内波对空泡形态作用及流场水动力；基于后处理程序对计算结果进行处理分析，获得内波对空泡形态变化的影响。该方法可以应用于对多相的空化及通气空化流动的流场计算，可以对空化形态和流场的水动力进行精细的计算，可数值模拟计算空化及通气空化达到稳定状态下、航行体遭遇内波时空泡形态的演变及水动力学的变化过程，因此本发明助于对空化物理机制的深入研究，可更好的模拟航行器在海洋内波情况下空泡形态的变化并解决相关的工程问题。内波作用下空化流动数值模拟工程应用领域包括船舶螺旋桨、水下高速航行体、水下超空泡武器应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种内波与通气空泡作用的预报方法的方法流程图。
图2是本发明的一种内波与通气空泡作用的预报方法的未加内波时候二维体积分数图。
图3是本发明的一种内波与通气空泡作用的预报方法的未加内波时候三维空泡形态图。
图4是本发明的一种内波与通气空泡作用的预报方法的生成内波纵向速度变化图所示。
图5是本发明的一种内波与通气空泡作用的预报方法的加内波时候二维体积分数分布图
图6是本发明的一种内波与通气空泡作用的预报方法的加内波时候三维空泡形态图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种内波与通气空泡作用的预报方法，具体包括如下步骤：
步骤一：基于几何建模方法建立模型及计算流域，设置流域直径为5倍空化器半径，来流段为0.5m，去流段为0.5m，(设置内波的频率为20HZ的正弦波，来流段和去流断为2倍波长左右)空化器长度为0.4m。空化器直径为0.4m。空化器放置于计算域的中心。
步骤二：基于网格划分方法划分三维流域网格；对于步骤一中的流域进行三维网格划分，在计算空化器周围进行加密，特别是空化器头部，并对空化发生区域和尾迹选定区域进行加密，(若考虑通气空化，则还需对气体入口及周围进行更细致加密，保证较小的库朗数和Y+值。)，通过加密选定区域实现精准捕捉空泡输运、溃灭、以及内波对空泡形态的影响等细节。
步骤三：建立空化、通气空化模型和内波模型；建立计算内波情况下通气空化流动的流体力学模型，包括空化模型，湍流模型和内波模型。
步骤四：设定初始条件、计算空泡变化至其稳定周期；在流体计算程序中给定三维流域入口为速度入口，给定流体的相的分布和来流速度，设置来流为水，粘度和密度设置为常温下的密度和粘度，设置X方向(流向空化器前端方向)速度为8m/s；设置流场出口为压力出口，给定压力条件；其他流域的边界设置为壁面，计算空化器表面也设置为避免；设置整个流场的重力方向为Z方向，数值为-9.8m/s2，给定参考压力以保证一定的空化数。计算通气空化时，将通气入口设置为质量流量入口，通入适量的气体，使通气率为0.14。对步骤一和步骤二的三维计算流域进行求解计算，当空化过程发展完全，空泡形态变化和流场压力变化呈现周期性时，得到空化，通气空化的三维流域数值计算结果如图2未加内波时候二维体积分数图和图3未加内波时候三维空泡形态图。
步骤五：更改边界条件，耦合内波模型，计算内波对通气空化的影响：将步骤四得到的空化，通气空化的计算结果作为初始条件，更改流域入口的边界条件，设定内波不同密度水的相分布(设置两个不同密度的水相，高密度相的水密度为1040kg/m3，低密度的水的密度为1000kg/m3)，更改速度，设置垂向速度为0.25sin(128t)；生成内波并计算一定时间，研究内波对空泡的作用的过程，得到空泡形态和压力周期性(2-3周期)变化的结果如图5加内波时候二维体积分数分布图和图6加内波时候三维空泡形态图。生成内波模型如图4生成内波纵向速度变化图所示。
步骤六：利用后处理程序，分析结果。
基于流场后处理程序对计算结果进行后处理，得到更多的空化，通气空化，以及内波时非定常空泡演化的过程，所述非定常空泡演化过程包括空泡生长，空泡稳定周期性脱落，内波作用下空泡长度变化，闭合形式的改变，内波传播与空泡之间的相互作用，分析非定常过程中内波对空泡形态的影响，得到空泡在内波作用下的结构演化特性。
步骤七，将步骤一至步骤六方法应用于空化、通气空化、内波数值模拟领域，实现空化，通气空化的数值模拟，并可在此之上探究海洋内部波动对空泡形态的影响，有助于对空化物理机制的深入研究，并能解决相关的问题。
本发明公开的一种内波与通气空泡作用的预报方法，本方法用结构化网格划分三维计算流域的网格并对空化器周围区域及通气区域进行了细致的加密，可以准确的模拟空泡的生成、输运、脱落的过程，可以准确的描述空泡的周期性变化以及在内波条件下空泡形态变化的过程；同时本方法通过在空化及通气空化稳定后，加入不同密度的流体相，能准确的捕捉到波面，清晰的反应出内波对空泡形态的影响，准确预报内波作用下空泡长度、直径以及脱落形式变化的过程；另外本方法有助于对空化物理机制的深入研究，可更好的模拟航行器在海洋内波情况下空泡形态的变化并解决相关的工程问题。内波作用下空化流动数值模拟工程应用领域包括船舶螺旋桨、水下高速航行体、水下超空泡武器应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种内波与通气空泡作用的预报方法，其特征在于包括：
设计流域：将空化器前端到速流域入口设为来流段，将空化器尾端到流域出口设为去流段，空化器位置位于计算域的中心位置；
对流域进行三维网格划分、同时对空化器的头部、空化发生区域和尾迹选定区域进行加密处理；
建立计算内波情况下通气空化流动的流体力学模型、该模型包括空化模型、湍流模型和内波模型；
设置三维流域入口为速度入口、设定流体的相的分布和来流速度，设置流场出口为压力出口，设定压力条件，将其他流域的边界设置为壁面，将空化器表面也设置为壁面，设置整个流场的重力方向和数值以及参考压力，当计算通气空化时，将通气入口设置为质量流量入口，通入适量的气体，对上述三维计算流域进行求解，当空化过程发展完全空泡形态变化和流场压力变化呈现周期性时获取空化、通气空化的三维流域数值计算结果；
更改边界条件耦合内波模型分析内波对通气空化形态的影响；
当整个空泡脱落、以及流场的压力变化成周期性时即空化或通气空化计算稳定后、分析内波对空泡形态和流场的影响；
基于流场后处理程序对计算结果进行分析、获得通气空泡、以及内波作用时非定常空泡演化的过程，所述非定常空泡演化过程包括空泡生长、空泡稳定周期性脱落、内波作用下空泡长度变化、闭合形式的改变以及内波传播与空泡之间的相互作用；
分析非定常过程中内波对空泡形态的影响，得到空泡在内波作用下的结构演化特性。
2.根据权利要求1所述的一种内波与通气空泡作用的预报方法，其特征还在于：所述来流段至少为1.5倍波长、去流段至少2倍波长。
3.根据权利要求1所述的一种内波与通气空泡作用的预报方法，其特征还在于：分析内波对空泡形态和流场的影响时：利用VOF法设计流入两种密度不同的液相，模拟密度分层的内波，加入内波模型进行耦合，通过更改流域入口条件采用流体域体积VOF法，定义不同密度的水相的分布，通入该相的位置，此相体积分数为1，不含有此相的地方体积分数设置为0，并分别定义两种液相与通入气相之间的相互作用来模拟密度分层内波对空泡形态的影响。
4.根据权利要求3所述的一种内波与通气空泡作用的预报方法，其特征还在于：所述耦合内波模型的方式为：
采用速度入口法对整个流域进行造波，给予整个流域的液相流体同一个速度，使其满足波函数来模拟上下层液相流向相同的内波的传递过程，为保证空化或通气空化的计算条件不改变，波的传播速度应和流入的水速保持一致，同时增加波函数的纵向速度的函数，使整个流域的两个不同密度的水相以相同速度函数向流域出口传播，形成流向相同的内波，计算内波对空泡形态以及流场的影响，直至空泡形态变化呈现周期性，流场压力周期性变化时，内波对空泡的影响作用分析完成。
5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的一种内波与通气空泡作用的预报方法，其特征还在于：该方法应用于空化、通气空化、内波数值模拟领域。
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