CN113947039B - 一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法 - Google Patents

一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，属于预报航行体运动和预报航行体尾空泡发展技术领域。包括：步骤一、确定航行体的结构尺寸及初始气体参数，采用Fluent软件进行建模，根据所述建模，采用VOF方法、k‑ε模型和动网格技术数值模拟航行体未完全出筒前的运动，计算出所述航行体刚完全出筒时的各项参数；步骤二、采用步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，对边界元法的初始时刻的气泡及结构表面进行离散；步骤三、采用边界元法与辅助函数法对航行体完全出筒后的时刻进行数值模拟，直至航行体尾空泡掐断。本发明极大地降低了航行体运动预报和航行体尾空泡发展预报所需的时间。

Description

一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法
技术领域
本发明涉及一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，属于预报航行体运动和预报航行体尾空泡发展技术领域。
背景技术
现有对航行体出水运动与其尾空泡发展的研究方法主要是实验研究及利用商业软件对其进行数值模拟。实验研究方法成本高且操作复杂。利用Fluent、Star-CCM等商业软件对其进行数值模拟则耗费时间长，网格数量较多的模型计算所需时间多达几十天。
发明内容
本发明的目的在于提出一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，通过采用商业软件(Fluent)与边界元法相结合进行数值模拟的方式，解决现有技术存在的问题。
一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，所述对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法包括以下步骤：
步骤一、确定航行体的结构尺寸及初始气体参数，采用Fluent软件建立航行体出筒数值模型，根据所述建模，采用VOF方法、k-ε模型和动网格技术数值模拟航行体未完全出筒前的运动，计算出所述航行体刚完全出筒时的各项参数；
步骤二、采用步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，对边界元法的初始时刻的气泡及结构表面进行离散；
步骤三、采用边界元法与辅助函数法对航行体完全出筒后的时刻进行数值模拟，直至航行体尾空泡掐断。
进一步的，所述航行体刚完全出筒时的各项参数包括航行体完全出筒后的航行体速度 v0及筒内气体压力p0。
进一步的，在步骤二中，具体的，根据步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，采用VOF方法与k-ε模型，并利用动网格技术对航行体出筒过程进行数值模拟。
进一步的，在步骤二中，依据所述数值模拟建立二维轴对称计算模型，对边界进行离散，具体的：在已知航行体刚完全出筒时的各项参数的情况下，将航行体出筒后极短时间的时刻设置为初始时刻，尾空泡形状为刚出筒的一段圆柱体，对结构与气泡的边界进行节点布置，通过航行体速度可得结构表面节点的法向速度，同时由于出筒时间极短，可近似认为气泡未进行径向膨胀，将此时气泡表面节点的法向设置为水平方向，且法向速度为0。
进一步的，在步骤三中，具体的，初始时刻已知所有结构表面节点及气泡表面节点的法向速度，将连续区域流场的控制方程拉普拉斯方程转化为离散的边界上的边界积分方程，通过边界积分方程求解气泡节点的速度势，进而对下一步的位置进行更新：
Figure BDA0003277663010000021
式中r为是任意一点的位置矢量，t为时间，φ表示结构表面的所有流体质点的速度势，q表示边界积分点，S包括所有流场边界，n为边界法向量，指向流场外为其正向，λ为流场控制点点观察流场的立体角，G为格林函数，
此后时刻皆为已知气泡节点的速度势和结构节点的法向速度，对气泡节点的法向速度和结构节点的速度势进行更新，进而对节点的位置进行更新，同时采用辅助函数法对航行体加速度求解，进而确定下一时刻的航行体速度，
Figure BDA0003277663010000022
式中
Figure BDA0003277663010000023
为航行体加速度，ρ为流体密度，χ为辅助函数，M为航行体质量，β为辅助函数， Vs为航行体速度，u为流体质点速度，P∞为坐标原点无穷远处静压力，Ss为结构表面，nz为法向量在z方向的投影，g为重力加速度，
在结构湿表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003277663010000024
在气泡表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003277663010000031
其中U为航行体速度，
每隔4个时间步采用最小二乘法对气泡节点位置和节点速度势进行光顺，运行程序直至航行体尾空泡掐断。
本发明有以下有益效果：本发明相比以往采用商业软件(Fluent、Star-CCM)对航行体出筒及水中航行运动过程进行数值模拟的方法，通过将商业软件(Fluent)与边界元法相结合进行数值模拟的方法，大大地降低了整个数值模拟计算过程所需的时间，降低了航行体运动预报和航行体尾空泡发展预报所需的时间及成本。
附图说明
图1为通过Fluent计算出筒前与出水全过程的二维轴对称模型对比，其中，图1(a)为Fluent计算航行体完全出筒前过程模型；图1(b)为Fluent计算航行体出水全过程模型；
图2为二维轴对称模型节点布置；
图3为航行体尾空泡计算结果对比，其中，图3(a)为1s时的对比图；图3(b)为 1.2s时的对比图；图3(c)为1.28s时的对比图，图3(d)为1.32s时的对比图。
具体实施方式
下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，所述对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法包括以下步骤：
步骤一、确定航行体的结构尺寸及初始气体参数，采用Fluent软件建立航行体出筒数值模型，如图1(a)所示，根据所述建模，采用VOF方法、k-ε模型和动网格技术数值模拟航行体未完全出筒前的运动，计算出所述航行体刚完全出筒时的各项参数；
步骤二、采用步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，对边界元法的初始时刻的气泡及结构表面进行离散，如图2所示；
步骤三、采用边界元法与辅助函数法对航行体完全出筒后的时刻进行数值模拟，直至航行体尾空泡掐断。
具体的，在步骤一中，建立Fluent软件的二维轴对称模型。由于只计算航行体完全出筒之前的时间段，此时尾部未有径向膨胀气泡，因此计算的径向水域范围相比Fluent计算航行体出水全过程的径向水域范围可适当减小。并且在不关注弹体完全出筒前流场信息的情况下，模型的网格尺寸也可适当增大，如图1所示。
进一步的，所述航行体刚完全出筒时的各项参数包括航行体完全出筒后的航行体速度 v0及筒内气体压力p0。
进一步的，在步骤二中，具体的，根据步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，采用VOF方法与k-ε模型，并利用动网格技术对航行体出筒过程进行数值模拟。
进一步的，在步骤二中，依据所述数值模拟建立二维轴对称计算模型，对边界进行离散，如图2所示，具体的：在已知航行体刚完全出筒时的各项参数的情况下，将航行体出筒后极短时间的时刻设置为初始时刻，尾空泡形状为刚出筒的一段圆柱体，对结构与气泡的边界进行节点布置，通过航行体速度可得结构表面节点的法向速度，同时由于出筒时间极短，可近似认为气泡未进行径向膨胀，将此时气泡表面节点的法向设置为水平方向，且法向速度为0。。
进一步的，在步骤三中，采用边界元法与辅助函数法对航行体完全出筒后的运动进行数值模拟。具体的，初始时刻已知所有气泡节点的法向速度，将连续区域流场的控制方程拉普拉斯方程转化为离散的边界上的边界积分方程，通过边界积分方程求解气泡节点的速度势，进而对下一步的位置进行更新：
Figure BDA0003277663010000051
式中φ表示结构表面的所有流体质点的速度势，q表示边界积分点，S包括所有流场边界，n为边界法向量，指向流场外为其正向，λ为流场控制点点观察流场的立体角，G为格林函数，
此后时刻皆为已知气泡节点的速度势和结构节点的法向速度，对气泡节点的法向速度和结构节点的速度势进行更新，进而对节点的位置进行更新，同时采用辅助函数法对航行体加速度求解，进而确定下一时刻的航行体速度，
Figure DEST_PATH_FDA0003277656000000022
式中
Figure BDA0003277663010000023
为航行体加速度，ρ为流体密度，χ为辅助函数，M为航行体质量，β为辅助函数，Vs为航行体速度，u为流体质点速度，P∞为坐标原点无穷远处静压力，
在结构湿表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003277663010000054
在气泡表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure BDA0003277663010000055
其中U为航行体速度，
由于数值误差的累积，可能导致数值不稳定现象，因此每隔4个时间步采用最小二乘法对气泡节点位置和节点速度势进行光顺。运行程序直至航行体尾空泡掐断。将尾空泡掐断时的Fluent计算结果(航行体出水全过程完全利用Fluent进行数值模拟)同商业软件(Fluent)与边界元法相结合进行数值模拟的计算结果进行对比，结果见图3。
以上实施示例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，其特征在于，所述对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法包括以下步骤：
步骤一、确定航行体的结构尺寸及初始气体参数，采用Fluent软件建立航行体出筒数值模型，根据所述模型，采用VOF方法、k-ε模型和动网格技术数值模拟航行体未完全出筒前的运动，计算出所述航行体刚完全出筒时的各项参数；
步骤二、采用步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，对边界元法的初始时刻的气泡及结构表面进行离散；
步骤三、采用边界元法与辅助函数法对航行体完全出筒后的时刻进行数值模拟，直至航行体尾空泡掐断；
在步骤二中，依据所述数值模拟建立二维轴对称计算模型，对边界进行离散，具体的：在已知航行体刚完全出筒时的各项参数的情况下，将航行体出筒后极短时间的时刻设置为初始时刻，尾空泡形状为刚出筒的一段圆柱体，对结构与气泡的边界进行节点布置，通过航行体速度可得结构表面节点的法向速度，同时由于出筒时间极短，可近似认为气泡未进行径向膨胀，将此时气泡表面节点的法向设置为水平方向，且法向速度为零；
在步骤三中，具体的，初始时刻已知所有结构表面节点及气泡表面节点的法向速度，将连续区域流场的控制方程拉普拉斯方程转化为离散的边界上的边界积分方程，通过边界积分方程求解气泡节点的速度势，进而对下一步的位置进行更新：
Figure FDA0003790118880000011
式中r为是任意一点的位置矢量，t为时间，φ表示结构表面的所有流体质点的速度势，q表示边界积分点，S包括所有流场边界，n为边界法向量，指向流场外为其正向，λ为流场控制点点观察流场的立体角，G为格林函数，
此后时刻皆为已知气泡节点的速度势和结构节点的法向速度，对气泡节点的法向速度和结构节点的速度势进行更新，进而对节点的位置进行更新，同时采用辅助函数法对航行体加速度求解，进而确定下一时刻的航行体速度，
Figure FDA0003790118880000021
式中
Figure FDA0003790118880000022
为航行体加速度，ρ为流体密度，χ为辅助函数，M为航行体质量，β为辅助函数，Vs为航行体速度，u为流体质点速度，P∞为坐标原点无穷远处静压力，Ss为结构表面，nz为法向量在z方向的投影，g为重力加速度，
在结构湿表面，辅助函数β和χ分别满足：
Figure FDA0003790118880000023
在气泡表面，辅助函数β和χ分别满足：
χ＝0，
Figure FDA0003790118880000024
其中U为航行体速度，
每隔4个时间步采用最小二乘法对气泡节点位置和节点速度势进行光顺，运行程序直至航行体尾空泡掐断。
2.根据权利要求1所述的一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，其特征在于，所述航行体刚完全出筒时的各项参数包括航行体完全出筒后的航行体速度v0及筒内气体压力p0。
3.根据权利要求2所述的一种对航行体出水的运动与其尾空泡的发展进行预报的方法，其特征在于，在步骤二中，具体的，根据步骤一中计算得到的所述航行体刚完全出筒时的各项参数，采用VOF方法与k-ε模型，并利用动网格技术对航行体出筒过程进行数值模拟。
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