一种内波与通气空泡作用的预报方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种内波与通气空泡作用的预报方法
本专利技术涉及海下航行分析
，尤其涉及一种内波与通气空泡作用的预报方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
根据现有技术存在的问题，本专利技术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：式中，ρm为混合密度，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。式中，粘性力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：Realizableek-e模型主要对湍流耗散率e方程进行了修改其中模型常数为：C1ε＝1.44,C2＝1.9，σκ＝1.0，σg＝1.2Realizableek-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其中涡粘性模型常数为：cμ＝0.09,Cε1＝1.44,Cε2＝1.92,σk＝1.0,σε＝1.3SS空化模型：SchnerrandSauer基于理论提出了下列方程气体的体积分数：其中nb为单位体积液体中旗袍的个数，本文nb＝103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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内波与通气空泡作用的预报方法，其特征在于包括：/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n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。/n...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙铁志，邹丽，丁言义，姜胜超，裴玉国，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21