[發明專利]水氣兩相流全耦合求解的飛行器水上起降載荷分析方法

有效

• 申請號: 202210080907.8
• 申請日: 2022-01-24
• 公開（公告）號: CN114117968B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 肖天航;支豪林
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/15;G06F17/11
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 韓天宇

1.一種水氣兩相流全耦合求解的飛行器水上起降載荷分析方法，其特征在于，包括以下步驟：

S10、基于工程對象幾何模型，生成流體計算網格；

S20、設置數值計算的流體屬性、邊界條件、最大模擬步數和時間步長；

S30、基于流體計算網格控制單元的幾何信息；

S40、采用虛擬壓縮法在N-S方程中建立密度與壓力的聯系；

ρ為密度，p為壓力，τ為虛擬時間項，β為虛擬壓縮參數，取5～15，將原本橢圓型的連續方程變成雙曲型方程，即可通過時間推進法求解，使得質量和動量都能守恒；

此時引入虛擬時間導數項后的不可壓N-S方程和VOF方程具體表達式為：

u為流體速度向量，f_b為體積力向量，f_st為表面張力向量，T為流體溫度，α為水體積分數，t為物理時間，k為流體熱傳導系數，Re為雷諾數，Pr為普朗特數；

S50、運用有限體積法將N-S方程與VOF方程在網格控制單元上離散成代數方程組；

其中，Q為流場變量，F為對流通量，F_v為擴散通量，S_b為體積力源項，S_ST為表面張力源項，Ω(t)為t時刻的控制體體積，Γ為預處理矩陣；

上述變量表達式為：

其中，表示控制體邊界的法向運動速度，和n分別為控制體邊界的運動速度和單位法向矢量，n＝(n_x n_y n_z)，θ為控制體邊界流體法向速度，θ＝u·n＝un_x+vn_y+wn_z，Δρ＝ρ_water-ρ_air表示水和氣體的密度差，Fr為弗勞德數；

采用有限體積法在任意網格控制單元上離散，同時物理時間方向上采用k階后向差分離散，每個物理時間步偽時間推進求解，偽時間用一階后向差分，可以得到任意控制體i處離散后的方程為：

其中j為控制體i的鄰居控制體，ij表示控制體i和控制體j的交接面，nface為當前控制體邊界面的數量；離散方程中包括兩個時間層的推進，一個是物理時間層t、n，是真實物理意義層面的時間；另一個是偽時間層τ、m，其作用在于將每個物理時間步當作一個偽時間層面的定常問題來推進求解；因此，對非定常問題的求解，在每個物理時間步內都嵌套一個偽時間步的迭代循環；偽時間步迭代求解收斂后的結果，即認為是第n個物理時間層的非定常流場，隨即進入下一個物理時間步的求解循環；φ為后向差分系數，RES_GCL為幾何守恒定律殘差項，

S60、根據流體屬性、邊界條件和n時刻的流場值計算對流通量、擴散通量、體積力及其雅克比矩陣；

S70、采用全隱式數值迭代計算方法，得到n+1時刻的流場值；

S80、判斷當前時間步數是否達到最大模擬步數，若是則結束計算，根據得到的流場值指導飛行器起降或迫降，反之返回步驟S60。

2.根據權利要求1所述的水氣兩相流全耦合求解的飛行器水上起降載荷分析方法，其特征在于，所述步驟S20中的流體屬性包括密度、粘度、熱傳導系數、重力加速度。

3.根據權利要求1述的水氣兩相流全耦合求解的飛行器水上起降載荷分析方法，其特征在于，步驟S60中不可壓N-S方程的對流通量采用Roe迎風格式進行計算，擴散通量采用中心差分格式計算；VOF方程的對流通量采用Modified HRIC格式計算。

4.根據權利要求1述的水氣兩相流全耦合求解的飛行器水上起降載荷分析方法，其特征在于，步驟S70將離散方程構造成全隱式線性方程組：

將該方程近似為大型稀疏系數矩陣的線性方程組Ax＝b，采用迭代求解方法，得到n+1時刻的流場值。