一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法與流程
2023-05-28 21:31:46 1
本發明涉及艦船空氣流場領域，特別是一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法。
背景技術：
受機庫及艦船上層建築的影響，甲板上方空氣流場存在下洗、側洗以及非定常的湍流脈動。對於艦船艉部流場的研究，一般來說，CFD技術具有成本低、耗時小、流場信息豐富且可模擬各種不同工況等獨特優點，故其逐漸成為流動分析的重要手段。艦船艉部流場屬於大分離湍流流動，目前對湍流的數值模擬方法主要有三種：雷諾平均N-S方程方法(Reynolds Averaged Navier-Stokes，簡稱RANS)、大渦模擬(Large Eddy Simulation，簡稱LES)和直接數值模擬(Direct Numerical Simulation，簡稱DNS)，這三者對於流場解析度的要求上有本質的區別，其特點簡述如下。
RANS方法：RANS把湍流分解為平均運動與脈動運動，只計算大尺度平均流動，所有湍流脈動對平均流動的作用即雷諾應力，用各式各樣的模型假設封閉。這種平均運算將脈動運動的行為細節一律抹平，丟失了脈動運動中的大量有重要意義的信息。艉部湍流運動中除了隨機性很強的小尺度渦運動，還存在著組織得相當好的大尺度渦結構，但所有湍流模型理論對此均無能為力。
LES方法：LES中負責質量、動量和能量輸運的大渦被直接求解，小渦對大渦運動的影響是通過一定的模型來模擬。LES方法對網格的要求較高，對與實際工程中的流動計算而言，其所需的網格數量依然過於龐大，以至於其應用受限。
DNS方法：DNS不引入任何湍流模型，直接數值求解三維非定常N-S方程，對湍流中所有尺度的運動進行求解，採用的數值方法多數是譜方法或偽譜法。理想的DNS幾乎滿足研究者的所有需要：方程本身精確，誤差僅來自於數值方法；可精確控制流動條件；可提供每一瞬間的全場流動信息等。但DNS的致命缺陷是計算量過大，湍流DNS計算中，DNS的計算量是相當驚人的，對於目前的硬體條件而言，無論是CPU速度還是所需內存量，直接數值模擬高雷諾數湍流都是不現實的，目前限於較低的Re數和幾何外形較簡單的問題，如平板邊界層、完全發展的槽道流動等，在工程領域的實際問題，近年看不到進行全流場計算研究的希望。因此目前DNS只能作為研究工具，而不是工程問題的解決手段。
為了適應工程中流動非定常特性的研究需求脫體渦模擬方法(DES)得到了發展，其是目前研究工程非定常湍流流動特性最為有效的方法。DES模型在邊界層內採用URANS方法，在分離區內採用LES方法，常被稱為混合LES/RANS模型。但現有的DES方法對網格依賴性較大，尤其是邊界層網格過密時會引起非物理的流動分離，從而降低對非定常流動特性的預測精度。
受計算模型和計算資源的限制，目前國內對艦船艉部流場的CFD仿真均採用RANS方法，且大多停留在定常計算當中。究其原因，一方面由於艦船上層建築複雜，另一方面商業CFD軟體大多採用低階高耗散數值格式，並自動化生成非結構網格，導致網格量巨大，若進行非定常精細化計算需要消耗巨大的計算資源。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法，相對於商業CFD軟體低階定常非結構網格這種常規計算模式，在脫體渦方法的基礎上進行計算模型改進，針對艉部大分離流動，集中發展高精度、高保真的非定常艉流場CFD模擬技術，精細刻畫艉部渦團的產生、發展、耗散等時空間歷程，從流動本質上探討艉部渦流的形成機制、影響範圍，得到艉流場的非定常特性。
本發明的技術解決方案是：一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法，包括如下步驟：
(1)對艦船模型進行簡化；
(2)對艦船計算域進行網格劃分；
(3)修正非定常湍流模型；
(4)設定非定常特性計算參數；
(5)計算得到空氣流場的非定常特性；
(6)驗證空氣流場的非定常特性及確定選定網格；
(7)根據選定網格及對應空氣流場的非定常特性計算得到直升機起降過程的瞬時速度載荷、平均載荷。
所述的對艦船模型進行簡化的方法包括如下步驟：
(1)獲取當前艦船的二維CAD模型並判斷，若艦船機庫前方存在細微結構，則直接在二維CAD模型中將細微結構去掉；所述的細微結構為當量直徑小於0.5m的艦船結構或者艦船上的多孔網狀結構；
(2)若艦船機庫上方與後方存在非鈍體形狀的細微結構，則在二維CAD模型中將當前非鈍體形狀的細微結構去掉，然後使用三維建模軟體得到CFD計算所需的艦船三維模型。
所述的對艦船計算域進行網格劃分的方法為：
對艦船三維模型進行網格劃分，得到第一網格、第二網格、第三網格，其中，第一網格、第二網格、第三網格的計算域相同，且均為結構網格，第二網格的網格單元為第一網格的網格單元的倍、第三網格的網格單元為第二網格的網格單元的倍，第一網格、第二網格、第三網格的最小網格體積大於零。
所述的修正非定常湍流模型的方法為：
將Spalart-Allmaras一方程湍流模型中的長度尺度dw進行了修正
d＝dw-fsmax(0,dw-CDESΔ)
其中，μ為分子動力粘性係數，μt為渦粘性係數，ui代表坐標軸i方向的速度，i＝x、y或者z，xj代表坐標軸j，j＝x、y或者z，P為當地大氣壓力，T為當地溫度，為空氣的熱導率，γ＝1.4，R＝287J/kg·K，Pr＝0.72，Prt＝0.72，ls＝d/CDESΔ，CDES＝0.65，d為網格點到壁面的距離，Δ＝max(Δx,Δy,Δz)為網格單元三方向的最大長度。
所述的設定非定常特性計算參數為：
特徵長度為100m的艦船以20m/s在30°風向角下航行，室外溫度為25℃，壓力為標準大氣壓，雷諾數為2.0×108，壁面溫度為25℃，出口壓力為101325Pa。
所述的計算得到流場的非定常特性的方法包括如下步驟：
將艦船三維模型對應的第一網格、第二網格、第三網格導入到CFD求解器，使用修正非定常湍流模型計算得到空氣流場的非定常特性。
所述的驗證空氣流場的非定常特性及確定網格的方法為：
如果第一網格、第二網格、第三網格計算得到空氣流場的非定常特性穩定並均與試驗結果一致，則選定第一網格、第二網格、第三網格網格數量最小的網格作為選定網格；否則增加第一網格、第二網格、第三網格的網格數量，轉入步驟(2)。
本發明與現有技術相比的優點在於：
(1)本發明使用脫體渦模擬方法研究艦船艉部非定常流場特性，相對於定常湍流計算方法，提高對艉流場預測精度；
(2)本發明方法從能量耗散的角度，使用熵函數確定邊界層的範圍，構建新的脫體渦模擬方法，減小對網格的依賴性；
(3)本發明方法通過對非定常計算結果分析，可獲得瞬時速度脈動以及渦量分布，增進了對艦船艉部複雜流場的認知。
附圖說明
圖1為本發明一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法流程圖。
具體實施方式
本發明針對現有技術的不足，提出一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法，相對於商業CFD軟體低階定常非結構網格這種常規計算模式，在脫體渦方法的基礎上進行計算模型改進，針對艉部大分離流動，集中發展高精度、高保真的非定常艉流場CFD模擬技術，精細刻畫艉部渦團的產生、發展、耗散等時空間歷程，從流動本質上探討艉部渦流的形成機制、影響範圍，得到艉流場的非定常特性，下面結合附圖對本發明方法進行詳細說明，如圖1所示為本發明一種艦船空氣流場的非定常特性獲取方法流程圖。
1)對艦船模型進行合理簡化
艦船上層建築普遍十分複雜，存在諸多細微結構，例如天線，炮管，圍欄等設備，這些細微結構對艉流場的特性幾乎沒有影響，但會造成計算網格量成倍增加，大幅提升了非定常數值模擬的難度。另外，艦船邊角處可適當進行鈍化，以提高網格質量。因此在計算初期需要對艦船模型進行合理簡化。簡化準則為：
a.獲取當前艦船的二維CAD模型，判斷當前二維CAD模型，若機庫前方存在細微結構(細微結構為當量直徑小於0.5m或者多孔網狀結構，比如天線、炮管)，則直接在二維CAD模型中將該細微結構去掉，若機庫上與後方存在非鈍體形狀的細微結構，則在二維CAD模型中將當前非鈍體形狀的細微結構去掉，然後使用三維建模軟體(Proe Catia Icem)得到CFD計算所需的三維模型。
2)對艦船計算域進行網格劃分及邊界條件設定
在網格劃分軟體(Icem)中建立步驟(1)得到的三維簡化模型的三種備選網格，這三種備選網格的計算域相同，均為結構網格,垂直於壁面無量綱化後第一層網格高度約為1，三種網格的網格單元增長率按照倍數逐漸增加，最後進行網格檢查，確保三種網格的最小網格體積大於零，否則重新調整網格分布。
3)非定常湍流模型設定
本發明提出基於熵概念的DES方法，構建熵函數預測邊界層範圍，從而克服DES方法網格依賴性的問題。該方法將Spalart-Allmaras一方程湍流模型中的長度尺度dw進行了修正：
d＝dw-fsmax(0,dw-CDESΔ) (1)
其中fs為熵函數，如下式所示：
其中為比熵增，表徵粘性耗散佔總耗散能中的比率：
其中：μ為分子動力粘性係數，μt為渦粘性係數，ui為當地速度張量(i＝1,2,3，i不等於j)代表任意坐標系中三個坐標軸方向的速度(在直角坐標系中，xi，i＝1,2,3分別表示x軸，y軸和z軸)。P和T分別為當地壓力和溫度。為空氣的熱導率，為定容比熱。其它常數為：γ＝1.4，R＝287J/kg·K，Pr＝0.72，Prt＝0.72。
長度尺度ls表示為：
ls＝d/CDESΔ (4)
其中CDES＝0.65，為經驗常數，d為網格點到壁面的距離，Δ＝max(Δx,Δy,Δz)為網格單元三方向最大長度。
經過修正後，解除了模型對網格的依賴性，這樣在邊界層附近可以確保RANS模型的啟動。
4)數值計算參數設定
對來流速度、來流雷諾數、壁面溫度、出口壓力等參數按照實際工況進行設定。如特徵長度為100m的艦船以20m/s、30°風向角航行，室外溫度為25℃，壓力為標準大氣壓。此時入口邊界中速度即設為20m/s，雷諾數為2.0×108，壁面溫度為25℃，出口壓力為101325Pa。
5)數值計算
將步驟2)得到的三維簡化模型對應的網格導入到CFD求解器中，選擇步驟3)中修正後的DES模型，並運用五階WENO格式作為空間對流項的控制精度、四階中心差分格式作為粘性項、LU-SGS隱式方法作為時間推進方法。然後使用內迭代的雙時間步實現CFD模型時間精度的控制，使用OpenMP並行計算技術縮短計算時間，計算得到流場的非定常特性(渦脫落頻率、瞬時速度和瞬時渦量等)。其中，非定常特性的計算利用有限體積法求解雷諾平均方程，計算迭代的時間步長基於CFL準則進行選取，迭代計算的時間步根據具體問題進行設定，一般至少計算10個周期的時間。
6)數值方法可靠性驗證及網格確定
選擇國際標準船模進行驗證計算，將步驟5)所得結果與國際標準船模的試驗結果進行比較，以驗證網格無關性和所採用數值方法的可靠性：將步驟2)中所建的三種備選網格按照步驟3)和4)中方法進行設定並進行數值計算，提取流場中速度與實驗結果進行比較，當這些結果趨於穩定並均與試驗結果一致時，則選定滿足條件中網格數量最小的網格作為下面數值計算的選定網格；否則繼續增加網格數量，從步驟2)重新開始。
7)計算結果後處理及非定常特性分析
計算結果包括流場非定常結果以及時間平均結果。通過對艉流場非定常結果分析，研究流動結構隨時間的演化過程，獲得艉流場中非定常特性，如瞬時速度分量、瞬時渦量等，進而可以得到直升機起降過程中瞬時速度脈動載荷。通過對時間平均結果的分析，研究艉流場速度分布的統計特性，包括平均速度分量，湍流脈動速度分量，平均渦量等，進而可以得到直升機起降過程中平均載荷。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。