专利汇可以提供一种航行体入水空泡特性的分析方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开的一种航行体入 水 空泡 特性的分析方法,属于 流体 机械工程领域。本发明实现方法为:对水域和空气域组成的整个流域进行网格划分及边界条件设置,并将边界数据浸入法和体积分数法运用到N‑S方程中;通过引入边界数据浸入法实现模拟 多相流 中浸入式物体;通过引入体积分数法实现 对流 体界面进行 跟踪 ;然后运用两步投影法,对流域的速度、压 力 等进行求解。本发明能够实现入水航行体空泡流动数值模拟,以揭示航行体入水空泡流动规律及机理,从而为入水航行体的结构设计提供理论 基础 ,并能够解决入水航行体实际应用工程问题,且本发明具有设计效率高、设计周期短、利于实际应用的优点。,下面是一种航行体入水空泡特性的分析方法专利的具体信息内容。
1.一种航行体入水空泡特性的分析方法,其特征在于:包括如下步骤,
步骤一:对流体计算域进行网格划分;
步骤二:对整个流域进行边界条件设置;
步骤三:建立流体域的控制方程及固体域的运动方程;
步骤四:为模拟多相流中浸入式物体,将边界数据浸入法用于流体控制方程和入水航行体运动方程,以便后续步骤六求解N-S方程;
步骤五:为了对流体界面进行跟踪,采用VOF方法;将VOF方法用于流体控制方程,以便后续步骤六求解N-S方程;
步骤六:用两步投影法对N-S方程进行求解,即实现对流域的速度、压力进行求解;
步骤四具体实现方法为,
在浸入式无滑移固体-流体相互作用的问题中,为了模拟多相流中浸入式物体,引入边界数据浸入法,将流域分成固体区域σb,流体区域σf,固体和流体界面宽度为2ε,定义σb子域内任意一点到流固界面中心的距离为d,方向朝向子域内部为负,引入系数函数:
使得:
2.如权利要求1所述的一种航行体入水空泡特性的分析方法,其特征在于:步骤一具体实现方法为,确定入水航行体几何参数,对整个流域进行网格划分,所述整个流域包括水域和空气域;采用的是笛卡尔网格,并采用均布化,归一化原理,航行体选用为球体,以其直径为一个单位,将网格设置为六面体网格,棱长为0.01-0.05之间便于计算。
3.如权利要求1所述的一种航行体入水空泡特性的分析方法,其特征在于:步骤二具体实现方法为,对整个流域进行边界条件设置,空气域一侧为压力入口,水域一侧边界设置为压力出口,入水航行体和计算域外围侧面设置为无滑移壁面。
4.如权利要求1所述的一种航行体入水空泡特性的分析方法,其特征在于:步骤三具体实现方法为,
由于模拟对象是入水航行体,所受环境压力较小,所以为了简化计算,将计算中涉及到的气体和液体都视为不可压缩的流体;在不考虑流体的压缩性的条件下,把流体的密度视为常量;对于不可压缩流体,动量守恒方程是经典的纳维-斯托克斯方程:
整理为:
其中ρ流体的密度,μ是流体的动力学粘性系数, 和p分别是流场的速度和压力,σ是表面张力系数,κ为局部曲率, 为自由液面的法向量,δS为Dirac函数,g是重力加速度;
对于不可压缩流体,因为流体密度不变方程中省略密度相,所以连续性方程比较简单:
而固体的运动方程,由下式给出:
其中U为固壁速度,
其中 为球心速度,ω球体角速度,r为球体半径
方程(1)、(2)即为建立的流体控制方程,方程(3)即为建立的固体运动方程。
5.如权利要求1所述的一种航行体入水空泡特性的分析方法,其特征在于:步骤五具体实现方法为,
为了对流体界面进行跟踪,采用VOF方法;计算域由三相组成:液态水,气态空气和实心球;通过笛卡尔网格对空间进行离散化,以网格中流体所占体积分数α来构造来跟踪自由面;网格为流体充满,α设置为1;若网格不包含流体,α为0;当α介于0和1之间,该网格定义为自由面网格;计算公式如下:
自由面的法向量计算公式为:
6.如权利要求1所述的一种航行体入水空泡特性的分析方法,其特征在于:步骤五具体实现方法为,
使用两步投影法来解连续性方程和动量方程,在第一步中,通过离散对流项和体力项来获得
对于ρ和μ,作如下处理:
ρ=αρwater+(1-α)ρair (8)
μ=αμwater+(1-α)μair (9)
其中α为水的体积分数,ρwater和ρair分别为水和空气的密度,μwater和μair分别为水和空气的动力学粘性系数;第二步通过以下方程来获得新时刻的速度:
将散度算子运用于式(7),能得到压力泊松方程:
通过方程(7)和方程(10)实现对速度的求解,通过方程(11)实现对压力的求解,即实现对流域的速度、压力进行求解。
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