基于自由水面捕捉法的跨介質(zhì)航行器水動力特性分析

基于自由水面捕捉法的跨介質(zhì)航行器水動力特性分析

0cfd軟件及其應用在計算海洋和勘探流量的過程中，自由液流的計算一直是一個難題。在最初，主要使用勢流法計算自由液的值，但最終結(jié)果無法正確預測。自1994年東京國際船舶計算水流研究所成立以來，專家們提出了用rans方程解決帶自由液流動的問題。自1994年東京國際船運輸工程研究所提出的帶自由液流的問題以來，它取得了很大的發(fā)展。目前，廣泛采用了拉普拉斯模型中的mac方法和vof方法，但計算的精度和速度無法滿足項目的需要。在其他高速船務(wù)器的橫向速度上的航行中，如機迫降、潛射導向發(fā)射和潛水員的發(fā)射。氣和水的動態(tài)特征的預測速度是復雜自由面的精確模擬。特別是在不同姿態(tài)的航跡設(shè)計中，其流量特征極其復雜。如何通過數(shù)值模擬方法快速、有效地預測自己的流體動力特征和運動特征，是航空設(shè)備設(shè)計師面臨的主要問題之一。鑒于此現(xiàn)狀,尤邁克(北京)流體工程技術(shù)有限公司(NUMECA公司)專門針對船舶與海洋工程應用開發(fā)CFD軟件包FINE/Marine,其求解器ISIS-CFD為由法國南特中央理工大學和法國國家科學院共同開發(fā)的非結(jié)構(gòu)自由液面黏性流場求解器;用自由液面捕捉法處理自由液面,采用可壓縮型離散格式減小自由液面附近構(gòu)成函數(shù)的數(shù)值擴散,可以處理破碎波和復雜的自由液面問題.本文采用該軟件利用全六面體非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格技術(shù)和自由液面捕捉法對DTMB5415船模頂浪運動和DLR-F4飛機模型的海面迫降的流場與水動力特性進行數(shù)值模擬分析.2計算域網(wǎng)格單元計算網(wǎng)格的質(zhì)量直接影響數(shù)值計算的可行性、收斂性和計算精度.本文采用HEXPRESS全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器進行網(wǎng)格劃分.全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格克服四面體網(wǎng)格固有的使離散格式精度退化、黏性計算速度慢等弊端.該網(wǎng)格生成器采用先進的由體到面的網(wǎng)格生成技術(shù),在物面附近網(wǎng)格被適當細化并投影到物面上,從而形成貼體網(wǎng)格.網(wǎng)格單元基本按照笛卡爾坐標方向排列,計算域中絕大部分區(qū)域網(wǎng)格單元都接近于長方體,且正交性高于80°的網(wǎng)格單元占總數(shù)的90%以上.計算域網(wǎng)格和DLR-F4飛機模型表面網(wǎng)格見圖1,DLR-F4飛機模型整個計算域網(wǎng)格正交性和長寬比監(jiān)測見圖2和3.在網(wǎng)格制作過程中,為確保網(wǎng)格質(zhì)量及網(wǎng)格的合理分布,在自由液面處以及模型與水面之間設(shè)置網(wǎng)格加密區(qū),實現(xiàn)對自由液面的精確捕捉.整個計算域的總網(wǎng)格數(shù)量約為200萬個.可知,整個計算域網(wǎng)格具有良好的品質(zhì),為高精度數(shù)值計算提供保證.在數(shù)值計算中采用動網(wǎng)格技術(shù),網(wǎng)格隨船體運動而移動,其具體移動由體的運動特性和所選擇的網(wǎng)格移動技術(shù)決定.網(wǎng)格的移動技術(shù)包括剛性移動和加權(quán)變形移動,對于一個無界域的運動體,網(wǎng)格可將運動體的6自由度方向都設(shè)置為剛性移動.對于本文帶自由液面捕捉的情況,如果考慮飛機的俯仰等其他任意的轉(zhuǎn)動變化,為保證自由液面相對于計算域外邊界有一個確定位置,需要在這些自由度方向上利用加權(quán)變形技術(shù)處理網(wǎng)格移動.3瞬態(tài)解的確定在FINE/Marine中,對于穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)多相流的計算均采用時間步進法.如果可預期流動最終為一個穩(wěn)態(tài)解,則可以采用穩(wěn)態(tài)計算;如果預計最終為一個瞬態(tài)解,則必須采用瞬態(tài)計算.對于時間步長的確定,在瞬態(tài)計算中極其重要.一般情況下,,其中,Lref和Vref分別為參考長度和參考速度.對于多自由度計算,可考慮將上述時間步減半進行計算;對于船舶或其他航行器在風浪中的運動,應考慮波浪的周期特性,酌情選擇時間步長.3.1船舶波浪生成和探索首先,數(shù)值仿真標準船模DTMB5415單自由度頂浪運動流場,其中,弗勞德數(shù)Fr=0.28,雷諾數(shù)Re=4.864×106,入射波波長λ=1.5lpp,波傾斜度Ak=0.025,時間步長Δt=0.01s.在軟件的數(shù)值模擬過程中,需指定船體的運動速度、計算域外邊界條件、物面條件和波浪生成條件等.船體運動速度為1.531m/s;物面均由無滑移壁面函數(shù)求解;船首方向的計算域入口設(shè)為波浪生成器,波浪描述采用stocks波,給定波浪的高度H=0.03639m,周期T=1.71123s;計算域在重力方向的外邊界設(shè)為壓力描述邊界,其初始壓力值將根據(jù)流體的重力計算,在整個計算過程中,流體可自由進出該表面;計算域其他的外邊界設(shè)為遠場邊界.算例在RedHatLinux5.4系統(tǒng)下采用MPI進行并行計算.某時刻自由液面的波浪狀態(tài)模擬結(jié)果見圖4,可知波耗散較小,能較好地模擬波浪特性,即準確捕捉波浪自由液面的運動特征.在波浪的一個周期內(nèi),DTMB5415船模周圍流場變化特性的模擬結(jié)果和實驗結(jié)果見圖5,可知,本文的數(shù)值模擬結(jié)果能較好地反映DTMB5415船模頂浪運動特征,即海面波浪與船體碰撞以及入射波與船行波混合后的復雜流場特性.對于船舶設(shè)計者,基于流場結(jié)構(gòu)特征可更好地改善船型,設(shè)計出更具耐波性的船體外形.3.2計算域和邊界條件用DLR-F4飛機模型模擬海面運輸機和直升機的三自由度迫降過程,由于飛機本身以及流場的對稱性,只需計算半個飛機模型的繞流場.其中,Fr=2.23,Re=6.7×106,水平初速度Vh=7m/s,垂直初速度Vv=0,初始俯仰角α=10°.在整個數(shù)值模擬過程中需指定或求解飛機的運動特征、計算域外邊界條件以及物面條件.在本算例中具體邊界條件設(shè)置為:(1)機體表面由無滑移壁面函數(shù)求解;(2)機體的縱向?qū)ΨQ面設(shè)為對稱邊界;(3)整個計算域的上、下面設(shè)為壓力描述邊界;(4)計算域的其他外邊界均設(shè)為遠場,流體速度為0.FINE/Marine以伽利略坐標系為參考框架定義體的運動,體的前進方向為x軸正方向,左舷方向為y軸正方向,重力的反方為z軸正方向,可進行任意自由度方向的運動參數(shù)設(shè)置和求解.在本算例中,首先給飛機一個7m/s的水平速度,待計算穩(wěn)定后求解飛機的水平自由度、沉降以及俯仰自由度,通過雷諾平均方程的求解耦合運動方程模擬飛機的自由迫降過程.圖6為DLR-F4飛機模型迫降過程中的典型時刻自由液面,可知,飛機擊水瞬間有一個大幅度的俯沖,出現(xiàn)較大的抬頭現(xiàn)象,隨后俯仰角出現(xiàn)幅度逐漸減小的波動過程.模擬結(jié)果符合空氣動力學原理,且能較好地模擬出飛機擊水瞬間的復雜自由液面變化特征.模型受到的水平力和水平速度隨時間的變化曲線分別見圖7(a)和7(b),可知,在迫降的初始階段,水平力有一個驟然增加和減小的過程,隨后出現(xiàn)幅度逐漸減小的波動過程,直至水平阻力出現(xiàn)小幅度遞減趨勢;水平加速度也有相應的變化趨勢;速度則對應出現(xiàn)驟減后緩慢降低的趨勢.模型受到的垂向力(包括浮力)和姿態(tài)隨時間的變化曲線見圖7(c)和7(d),可知,在迫降的初始時刻,垂向力有一個驟然大幅度的波動,隨后出現(xiàn)幅度逐漸減小的波動過程,垂向加速度和速度也對應有相應的變化趨勢.飛機著水前的初始運動條件及姿態(tài)決定其迫降過程的姿態(tài)變化,其姿態(tài)變化又直接影響飛機迫降過程的水動力特性和運動特性.4船舶現(xiàn)實迫降數(shù)值模擬分析采用FINE/Marine軟件對DTMB5415船模頂浪運動、DLR-F4飛機模型的海面迫降過程的姿態(tài)變化和水動力特性進行數(shù)值模擬分析.模擬結(jié)果表明,采用該方法可以高精度、快速地預報船舶水動力特性和耐波特性、飛機的迫降過程的復雜流場變化特征以及動力特性和運動特性;可以預報船舶以及其他跨介質(zhì)航行器的水動力特性和運動特性,為跨介質(zhì)航行器以及其海洋工程的設(shè)計提供參考.1數(shù)學模型與數(shù)值方法FINE/Marine包括全六面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成器HEXPRESS,求解器ISIS-CFD和后處理器CFView.1.1自由主體特性ISIS-CFD采用非結(jié)構(gòu)動網(wǎng)格技術(shù)模擬多相流復雜流場結(jié)構(gòu),適于求解剛體運動和細長體變形運動,可處理破碎波和復雜的自由液面演化特征.在等溫條件下,所求解的不可壓縮黏性流的質(zhì)量和動量守恒方程分別為式中:t為時間;ρ為密度;V為控制體;S為圍成控制體的面積;Ud為S上n方向的速度;U和p分別為速度和壓力;Ui為在xi坐標軸方向上的平均速度分量;τij和gi分別為黏性應力張量和重力矢量;Ii和Ij分別為方向向量;ci為i流體的體積份額.1.2er湍流模型ISIS-CFD提供S-A,k-ε和k-ω等多種湍流模型.本文采用k-ω(SST-Menter)湍流模型,其湍動能k和湍流耗散頻率ω運輸方程為式中:μ為分子黏度;xj為坐標軸;Uj為在xj坐標軸方向上的平均速度分量;μt為湍流渦黏度;τtij為湍流雷諾應力張量;Sij為平均應變率張量;F1為輔助混合函數(shù);Pω為ω的導出項;β*,σk和σω2分別為湍流模型常數(shù).1.3自由乳液捕獲法計算采用直接求解三維黏性不可壓多相流體的雷諾平均方程,微分方程的離散采用隱式有限體積法,具有2階空間和時間精度.動量方程離散采用GDS格式,自由液面