[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

本發明公開了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，首先應用有限體積法將不可壓N?S方程與VOF界面輸運方程在任意網格控制單元上進行離散，再根據n時刻的流場值和邊界條件，計算對流通量、擴散通量和體積力及其雅克比矩陣，然后通過全隱式數值迭代計算方法得到第n+1時刻的流場值，最后判斷當前時間步是否達到計算時長。本發明中，壓力方程與動量方程采用虛擬壓縮法耦合求解，保證質量和動量守恒，在計算、編程兼容性上有很大優勢，同時不可壓N?S方程與VOF方程耦合在單個方程系統中進行全隱式迭代計算，能夠大大提高水氣兩相流數值求解的收斂性和計算效率。

技術領域

本發明涉及流體力學技術領域，具體涉及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，基于水氣兩相流全耦合虛擬壓縮有限體積全隱式求解。

背景技術

隨著新時代海洋資源的不斷開發以及海戰的立體化、多層次發展，我國近年來開始從國家層面上重視海洋權益，積極開展水面飛行器的研制工作。水面飛行器需要在水和空氣兩相介質情況下起降飛行，其對傳統的飛行器性能分析方法提出了挑戰。此外，通用飛行器水面迫降適航標準的制定也需要行之有效的分析水氣兩相流的方法。目前針對水面飛行器水面起降、通用飛行器的水上迫降的性能評估主要依靠物理水池模型試驗實現，然而由于設備和場地的限制，試驗模型的尺寸與實機相比差異過大，該尺寸效應使得試驗數據無法直接應用于實機的指導上，同時，試驗也面臨著人力、財力資源消耗巨大、周期過長等問題。

近年來，隨著計算機技術的飛速發展，計算流體力學(CFD)得到了蓬勃發展，CFD技術已成為水動力、氣動力學分析的基礎性關鍵技術。由于CFD技術的巨大應用潛力，比擬于物理水池，數值水池的概念應運而生，取代傳統水池模型試驗以分析水面飛行器水面起降、通用飛行器的水上迫降性能。與傳統水池模型試驗相比，數值水池具有用時短、成本低、獲取信息豐富、無尺度限制等相當突出的優勢，在航空航天、船舶海洋等領域有著廣泛的應用前景。

數值水池主要是求解水氣兩相不可壓流Navier-Stokes(N-S)方程來獲取流場信息。由于不可壓縮流體的假設，N-S方程中的質量方程和動量方程是解耦的，一般要采用壓力-速度修正方式建立起兩者的聯系，因此無法保證質量和動量同時守恒。其次，該方式無法采用成熟的雙曲型方程時間推進方式求解，在編程、計算兼容性等方面帶來了不便。另一方面，目前成熟的兩相流數值模擬方法通過引入一個VOF輸運方程實現對水氣交界面的捕捉來實現，其求解的是每個網格控制單元內水所占的體積分數，N-S方程中流體屬性根據該體積分數來確定。如今常用的求解方式是將N-S方程與VOF方程進行解耦求解，這樣一定程度上割裂了兩者的關系，影響了計算精度和收斂性。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提出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，通過建立壓強和密度的虛擬關系，在質量方程中引入壓力的虛擬時間導數項，將原本是橢圓型的連續方程變成雙曲型方程，即可通過時間推進方法迭代求解，保證質量和動量守恒。同時將N-S方程與VOF方向相耦合，構建統一的全隱式數值求解方程組，提高收斂性和精度，從而指導飛行器在水上起降或迫降。

本發明的技術方案為：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，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(面積、體積等)；

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，一般取5～15。這樣可以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。