一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法技术

本申请涉及一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法，包括：确定围绕三维水翼的流体域，并对所述流体域进行网格划分；建立空化流动的流体运动方程组；根据所述空化流动的流体运动方程组和预设边界条件得到所述流体域的空化数值模拟结果；根据所述空化数值模拟结果，以及通过径向基函数的插值方法进行非定常流固耦合计算，得到所述三维水翼的结构振动特性与所述流体域的空化流动规律。该技术方案本申请实施例提供的方法，通过基于悬臂梁模态的三维水翼结构，建立了能反映复杂空化流动和三维水翼结构的时空演变规律的数值模拟方法，进而实现提高空化流固耦合模拟精度。

A numerical simulation method of fluid solid coupling around hydrofoil cavitation

【技术实现步骤摘要】
一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法
本申请涉及流固耦合数值模拟领域，尤其涉及一种围水翼空化流固耦合数值模拟方法。
技术介绍
空化是水力机械、海洋工程领域的一种极为复杂的非定常现象，伴随着空化初生、发展、脱落和溃灭，会造成水动力的时空演化，特别是空泡溃灭所产生的瞬态高压脉冲会对结构造成巨大的冲击载荷。反过来，结构形状的改变也会影响空化的流动特性。这是一种典型的流体与结构相互作用的流固耦合现象。与传统的金属材料相比，复合材料具有比重小、比强度大等优点，使其开始在水力机械、海洋工程领域中广泛应用。在这种情况下，空化流激振动成为影响结构安全和稳定运行的不可忽视的问题。针对绕弹性水翼的空化流固耦合问题，很多学者将三维水翼的弯曲、扭转简化为二维水翼在平面上的平动、转动，无法真实的模拟空化所造成的水动力载荷时空分布，也无法反映水翼的三维扭转效应。因此，发展针对三维弹性水翼的高效率的空化流固耦合数值模拟方法具有重要性，也具有必要性。
技术实现思路
为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供了一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法。本申请实施例提供了一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法，包括：确定围绕三维水翼的流体域，并对所述流体域进行网格划分；建立空化流动的流体运动方程组；根据所述空化流动的流体运动方程组和预设边界条件得到所述流体域的空化数值模拟结果；根据所述空化数值模拟结果，以及通过径向基函数的插值方法进行非定常流固耦合计算，得到所述三维水翼的结构振动特性与所述流体域的空化流动规律。在一个可能的实施方式中，所述确定围绕三维水翼的流体域，包括：确定所述三维水翼的结构；根据所述三维水翼的结构建立所述三维水翼的流体域。在一个可能的实施方式中，所述建立空化流动的流体运动方程组，包括：根据质量守恒以及动量守恒建立第一控制方程组，所述第一控制方程组包括：连续性方程，动量方程以及含汽率输运方程；基于空泡动力学方法建立空化模型；对所述连续性方程以及所述动量方程分别进行平均得到第二控制方程组；根据所述空化模型以及第二控制方程组建立所述流体运动方程组。在一个可能的实施方式中，式中，为求偏导数，ρ为混合相密度，uj为在j方向上的速度量，xj为位置分量，t为时间；所述动量方程为：式中，为求偏导数，ui为在i方向上的速度量，uj为在j方向上的速度量，p为压力，μ为流体粘度，xj为坐标分量，xi为坐标分量；所述含汽率输运方程为：式中，m+为空化的蒸发速率，m-为空化的凝结速率，αv为汽相的体积分数，ρv为汽相密度。在一个可能的实施方式中，所述空化模型用于计算空化的蒸发速率以及凝结速率；所述空化的蒸发速率m+的计算过程如下：所述空化的凝结速率m-的计算过程如下：式中，Rb为空泡半径，pv为蒸汽压力，Nb为空泡密度，ρl为液相密度。在一个可能的实施方式中，所述第二控制方程组，包括：式中，τij为亚格子应力项，μt为涡粘系数。在一个可能的实施方式中，所述根据所述空化流动的流体运动方程组和预设边界条件得到所述流体域的空化数值模拟结果，包括：确定所述预设边界条件，所述预设边界条件包括：所述流体域的进口面设为来流速度，所述流体域的出口面设为压力边界，所述流体域的上下面、两侧面、三维水翼的表面均设置为无滑移壁面；按照库朗数小于等于5确定时间步长，采用所述流体运动方程组以及所述预设边界条件进行非定常空化流场的数值计算，得到所述流体域的空化数值模拟结果。在一个可能的实施方式中，所述方法还包括：建立悬臂梁模态的所述三维水翼的结构运动方程；其中，所述结构运动方程包括归一化振型以及对应的固有频率，所述结构运动方程如下：其中，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，η为广义位移，ü为加速度、u为位移，u＝φη，φ为质量归一化振型矩阵，如下式：φi(x)＝cosβix-coshβix-θi(sinβix-sinhβix)式中，杨氏模量E，结构密度ρs；所述固有频率ωi如下：式中，I为惯性矩，S是三维水翼沿着流向的投影面积，l是水翼的展长。在一个可能的实施方式中，所述根据所述空化数值模拟结果，以及通过径向基函数的插值方法进行非定常流固耦合计算，得到所述三维水翼的结构振动特性与所述流体域的空化流动规律，包括：基于径向基函数建立所述三维水翼中结构节点与所述流体域中流体网格点的插值关系；根据所述空化数值模拟结果获取分布于所述流体网格点的第一作用力；根据虚功等效原理确定所述第一作用力与分布于所述结构节点上第二作用力的关系，并计算所述第二作用力；对所述结构运动方程进行求解得到所述结构节点的变形位移；基于所述结构节点与所述流体网格点的插值关系更新所述流体网格点的坐标；基于空化流动的流体运动方程组更新当前时间步的空化数值模拟结果；重复上述步骤依次迭代直至满足预设数据交换次数时，确认完成一个物理时间步的计算；当所述物理时间步达到预设数量时，得到所述三维水翼的结构振动特性与所述流体域的空化流动规律。本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例提供的方法，通过基于悬臂梁模态的三维水翼结构，建立了能反映复杂流体域和三维水翼结构的时空演变规律的数值模拟方法，进而实现提高空化流固耦合模拟精度。本申请实施例提供的方法，实现围绕水翼的空化流固耦合数值模拟，有助于对空化流固耦合问题的流动规律和结构响应特性进行深入的研究，能够应用于围绕水翼空化流固耦合领域，并能够解决相关工程问题。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，通过附图示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本申请实施例提供的一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法的流程图。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。图1为本申请实施例提供的一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：步骤S11，确定围绕三维水翼的流体域，并对流体域进行网格划分；步骤S12，建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法，其特征在于，包括：/n确定围绕三维水翼的流体域，并对所述流体域进行网格划分；/n建立空化流动的流体运动方程组；/n根据所述空化流动的流体运动方程组和预设边界条件得到所述流体域的空化数值模拟结果；/n根据所述空化数值模拟结果，以及通过径向基函数的插值方法进行非定常流固耦合计算，得到所述三维水翼的结构振动特性与所述流体域的空化流动规律。/n

【技术特征摘要】
1.一种围绕水翼空化流固耦合数值模拟方法，其特征在于，包括：
确定围绕三维水翼的流体域，并对所述流体域进行网格划分；
建立空化流动的流体运动方程组；
根据所述空化流动的流体运动方程组和预设边界条件得到所述流体域的空化数值模拟结果；
根据所述空化数值模拟结果，以及通过径向基函数的插值方法进行非定常流固耦合计算，得到所述三维水翼的结构振动特性与所述流体域的空化流动规律。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定围绕三维水翼的流体域，包括：
确定所述三维水翼的结构；
根据所述三维水翼的结构建立所述三维水翼的流体域。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立空化流动的流体运动方程组，包括：
根据质量守恒以及动量守恒建立第一控制方程组，所述第一控制方程组包括：连续性方程，动量方程以及含汽率输运方程；
基于空泡动力学方法建立空化模型；
对所述连续性方程以及所述动量方程分别进行平均得到第二控制方程组；
根据所述空化模型以及第二控制方程组建立所述流体运动方程组。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述连续性方程为：



式中，ρ为混合相密度，为求偏导数，uj为在j方向上的速度量，xj为位置分量，t为时间；
所述动量方程为：
式中，为求偏导数，ui为在i方向上的速度量，uj为在j方向上的速度量，p为压力，μ为流体粘度，xj为坐标分量，xi为坐标分量；
所述含汽率输运方程为：



式中，m+为空化的蒸发速率，m-为空化的凝结速率，αv为汽相的体积分数，ρv为汽相密度。


5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述空化模型用于计算空化的蒸发速率以及凝结速率；
所述空化的蒸发速率m+的计算过程如下：



所述空化的凝结速率m-的计算过程如下：



式中，Rb为空泡半径，pv为蒸汽压力，Nb为空泡密度，ρl为液相密度。


6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二控制方程组，包括：






式中，τij为亚格子应力项，μt为涡粘...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仁芳，黄程德，杜特专，王一伟，黄晨光，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11