[發明專利]一種高速可壓縮超空泡流動特性的分析方法

在審

• 申請號: 201710887696.8
• 申請日: 2017-09-27
• 公開（公告）號: CN107784161A
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 王國玉;李達欽;張佳悅;梁廷輝;黃彪
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙)11639
• 代理人: 毛燕

技術領域

本發明屬于流體機械工程領域，涉及一種高速可壓縮超空泡流動特性分析方法，尤其涉及基于CFD軟件二次開發的一種高速可壓縮超空泡流動特性分析方法。

背景技術

空化是指在一定條件下，液相介質中發生的一種相變現象。當水中的局部壓力降低到水的飽和蒸汽壓時，部分水將變成水蒸氣，從而在水流中形成蒸汽的空穴，即發生了空化。流動條件不同，空化泡的形態也有很大差異。主要分為：初生空泡、局部空泡和超空泡。當空泡區發展到覆蓋整個物面，并延伸到物體后面，甚至空穴尺寸還可以遠遠超過物體尺寸，這就是超空泡。

航行體在水中運動時超空泡流有兩種類型，一種是自然汽化形成的自然超空泡流，另一種是人工通氣形成的通氣超空泡流。無論哪一種形式，都是利用超空泡來進行減阻，其中高速超空泡水下高速航行體就是一種利用自然超空泡減阻技術的新型水下兵器。與常規航行體水下航行問題不同，超空泡水下高速航行體由于航行速度非常高，可達跨音速甚至超音速。運動過程中涉及復雜的可壓縮超空泡流動問題，包括汽液可壓縮性、非定常流動、水激波、相變及強湍流等方面流體力學難題。目前，針對這些難題還沒有比較準確的分析手段和數值計算方法，有必要研究一種能夠準確模擬高速可壓縮超空泡流動特性的數值計算方法，并將其應用于亞音速、跨音速和超音速等工況下，以揭示高速可壓縮超空泡流動規律及機理，從而為水下高速航行體的結構設計提供理論基礎。

發明內容

本發明公開的基于網格搜針對上述問題和難點，本發明公開的一種高速可壓縮超空泡流動特性的分析方法要解決的技術問題是以揭示高速可壓縮超空泡流動規律及機理，從而為水下高速航行體的結構設計提供理論基礎，并能夠解決水下高速航行體實際應用工程問題。

所述的水下高速航行體實際應用工程問題包括水下高速航行體航行穩定性、航行存速。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

本發明公開的一種高速可壓縮超空泡流動特性的分析方法，包括如下步驟：

步驟一：建立幾何模型。

以回轉體結構的水下高速航行體為研究對象，確定回轉體的幾何參數，采用建模軟件進行幾何建模。

所述的建模軟件優選三維造型軟件，所述的三維造型軟件包括Solidworks或UG。

步驟二：對步驟一建立的幾何模型及流體計算域進行網格劃分。

將步驟一中得到的水下高速航行體模型導出曲面到網格劃分軟件，并在網格劃分軟件中建立流體計算域，分塊對流域進行網格劃分，并進行網格無關性驗證，得到最優網格數。

步驟二具體實現方法包括如下步驟：

步驟2.1：將步驟一中得到的水下高速航行體模型導出曲面到網格劃分軟件，并在網格劃分軟件中建立足夠大的流體計算域，足夠大的流體計算域指大到能夠忽略流域邊界對水下高速航行體周圍流場的影響，而后對水下高速航行體及流域各面進行定義；

步驟2.2：將流域分塊劃分結構化網格，考慮壁面效應對水下高速航行體周圍網格著重加密，為了保證計算精度，必須保證y⁺在合理范圍之內；

步驟2.3：進行網格無關性驗證，以阻力系數及空泡輪廓雙重指標作為驗證標準，取多組不同網格數的流域進行相同工況的計算，針對計算結果取穩定流場中的空泡輪廓和阻力系數，前后兩次預測結果均與實驗結果差異小于預設值時網格達到計算精度，此時為最優值，即得到最優網格數。

步驟2.2中所述的y⁺＝yu_τ/ν_l為衡量網格精度的指標，其中y為第一層網格的厚度，u_τ為壁面摩擦速度，ν_l為水的運動黏度；所述的合理范圍針對水下高速航行體優選30≤y⁺≤60。

步驟2.3中所述的預設值優選5％。

步驟二中所述的網格劃分軟件包括ICEM或POINTWISE軟件。

步驟三：邊界條件及計算方法設置。

將網格文件導入FLUENT中，對邊界條件、采用的計算模型、計算方法進行設置。

步驟三具體實現方法包括如下步驟：

步驟3.1：將網格文件導入FLUENT中。

步驟3.2：設置邊界條件。

流域進口條件采用速度進口條件；出口條件采用壓力出口條件，壓力考慮環境水深；其余采用無滑移壁面邊界條件。

步驟3.3：設置采用的計算模型。