[发明专利]水上飞机波浪水面起降水气两相流数值仿真方法

说明书

本发明提供了一种水上飞机波浪水面起降水气两相流数值仿真方法，该方法基于整体动网格技术和速度入口造波技术，并改善网格划分策略和流场初始化方法，从而实现水上飞机波浪水面起降的非定常流场计算。对于研究水面飞行器波浪着水问题，该方法通过在波面方程、波浪速度场和压强场函数中增加初始相位项和初始平衡位置项，实现波浪在计算域内沿传播方向的相偏移以及波浪平衡位置的垂向偏移，使得波浪在极短的求解时间内与物体接触，省去了物体等待头波的时间。与以往动网格法相比，本发明不仅可以减少网格量、提高网格利用率，而且可以在保证求解精度的同时获得更快的计算速度。

技术领域

本发明涉及飞行器起降试验领域，具体是一种水上飞机波浪水面起降水气两相流数值仿真方法。

背景技术

水上飞机不同于常规飞行器，根据其任务需求，应具备在水面起降的能力，并能够在一定的海况下开展作业。因此，评估水上飞机波浪水面起降能力对于飞行安全至关重要。目前，针对这一个问题的研究手段主要分为：试验研究、理论计算和数值仿真三种方法。试验研究需要耗费大量的实验室搭建成本，试验数据常常受设备条件的限制，试验结果较为单一；理论计算借助经验公式估算飞行器运动过程所受水动力和气动力，多是基于简单的模型和假设，估算结果准确度不高；随着高性能计算机的发展，应用数值仿真的方法处理工程问题越来越普遍，具有求解速度快、模型适应能力强、求解精度高等优点。

在涉及物体间存在相对运动的数值仿真中，动网格技术被大量使用。其中，整体动网格法作为一种高效的用于求解非定常刚体运动的计算方法在本发明中被采用，计算域网格，包括网格单元和外场边界，随物体一起做刚性运动。同时，对各个边界施加体积分数边界条件，使得水面平衡位置始终保持不变。但，该方法一般不适用于物体大角度运动仿真。

速度入口造波技术被广泛应用于数值波浪水池的构建中，把波浪前进和垂向速度的解析解施加在入口边界，使得波面随时间推进并传播到流场域中。同时，在入口边界处设置关于时间的体积分数来体现运动波面。这种造波方法由于是从入口边界开始造波，易于实现且波形可控。

目前，关于飞机波浪着水的数值模拟还比较少，方法多是借鉴静水面着水。然而，在飞机静水面着水时，机体与自由液面的距离只需要调整液面水平位置即可，对于波浪着水，不仅要调整波浪平衡位置，还需要对波浪与机体的水平相对位置即波浪初始相位做出要求，这方面的研究工作尚不完善，也将是本专利着重阐述的内容。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种水上飞机波浪水面起降水气两相流数值仿真方法，基于整体动网格技术和速度入口造波技术，并改善网格划分策略和流场初始化方法，从而实现水上飞机波浪水面起降的非定常流场计算，不仅可以减少网格量、提高网格利用率，而且可以在保证求解精度的同时获得更快的计算速度。

本发明包括以下步骤：

1)计算域网格划分策略：针对复杂的自由液面情况，将整个流场计算域做多区域多等级处理，即把计算域划分为多个网格加密区域，不同加密区域依据当地流场特征采用不同的网格加密尺寸；

2)运用整体动网格法处理物体和计算域网格非定常运动，并将速度入口造波边界条件施加在计算域的入口边界，具体施加方法如下：

2.1)确定自由液面的波面方程：

式中，h为波高，k为波数，ω为圆频率，t为时刻；

2.2)给出波浪在传播方向和垂直方向的速度函数u和w：

式中，d为水深，x和z为空间坐标；

2.3)计算水面以下压力场函数p：