一种切割自由面水翼空泡长度预测方法技术

本发明专利技术提供了一种切割自由面水翼空泡长度预测方法，包括：一、根据切割自由面水翼的几何模型，等间距划分水翼的离散点；二、初始化水翼沿着展长方向的环量分布；三、计算水翼当前时刻的下洗诱导速度在离散点上的值；四、计算每个离散点当前时刻的有效攻角；五、计算各个离散点上的升力线斜率；六、计算每个离散点上的升力系数；七、计算下一时刻的环量分布；八、判断步骤七和三的环量误差是否达到收敛条件，如果达到则计算收敛；否则，更新下一步迭代初始环量值，代入步骤三迭代计算。本发明专利技术建立了一种更加高效快速的计算切割自由面水翼空泡长度的数值模拟方法，扩展了原始升力线算法的应用范围，为实验数据快速分析验证提供了行之有效的方法。有效的方法。有效的方法。

【技术实现步骤摘要】
一种切割自由面水翼空泡长度预测方法
[0001]所属领域
[0002]本专利技术涉及近自由面自然空化的数值模拟领域，具体涉及一种切割自由面水翼空泡长度预测方法。

技术介绍

[0003]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。航行体在接近水面运行的工况下不仅会受到空泡冲击载荷的影响，水面形状的变化也会影响航行体的运行稳定，航行体的运行状态又反过来作用在自由面形状的演化上，产生强烈的瞬时流场变化。对空化与自由面相互作用机理的深入认识，是工程上有效抑制不利空化发生、规避空化破坏的前提，具有重要科学意义和工程价值。在这种情况下，近自由面的自然空化产生将成为影响航行体稳定运行的不可忽视的问题。空化以不同尺度蒸汽空穴的产生、聚合、溃灭为特征，具有复杂的空泡/空泡团
‑
湍流结构相互作用；自由表面的形态会随着时间变化，自然空化作用后产生的现象复杂，精确地实验测量非常困难，数值模拟是空化与自由面相互作用的重要研究手段。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，包括方法步骤：步骤一：根据切割自由面水翼的几何模型，等间距划分水翼的离散点；步骤二：根据离散点的位置与初始环量的椭圆函数关系或线性函数关系，初始化水翼沿着展长方向的环量分布；步骤三：由Biot
‑
Savart定理，根据当前时刻水翼各离散点上的环量分布计算水翼当前时刻的下洗诱导速度在离散点上的值；步骤四：由各离散点的下洗诱导速度、来流速度和水翼几何攻角之间几何关系，计算每个离散点当前时刻的有效攻角；步骤五：根据切割自由面水翼的运行工况，计算每个离散点上当前时刻的空化数；根据势流理论和实验结果，得到空泡长度与空化数之间的有理多项关系式，由此，根据每个离散点当前时刻的空化数和有效攻角来计算各个离散点上的空泡长度；然后，基于势流理论和实验结果推导的升力线斜率与空泡长度之间的有理多项关系式，根据每个离散点上的空泡长度来计算各个离散点上的升力线斜率；步骤六：依据水洞实验或小攻角假设，根据各个离散点上的升力线斜率和有效攻角来计算每个离散点上的升力系数；步骤七：由Kutta
‑
Joukowski定理，根据升力系数分布计算下一时刻的环量分布；步骤八：判断步骤七得到的下一时刻环量分布和步骤三得到的所述当前时刻环量分布之间的环量误差是否达到收敛条件，如果所述环量误差达到收敛条件，则计算收敛，输出各个离散点的环量、升力线斜率和空泡长度；否则，步骤七中下一时刻的环量分布更新为下一步迭代的初始环量值，代入步骤三，依次开展步骤三至步骤七的计算。2.根据权利要求1所述的切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，所述步骤三中，水翼上端设置为自由面边界条件，水翼下端设置为环量值为0的边界条件或采用自定义的翼尖涡边界条件。3.根据权利要求1所述的切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，所述步骤五中每个离散点上当前时刻空化数的公式为：其中，σ(z)为每个离散点上当前时刻的空化数，ρ为水的密度，p
c
为液体发生相变的压力值，p
atm
为大气压力，U为水翼前方的来流速度，z为离散点与水面的距离，h为浸没深度，Fr
h
为基于浸没深度的弗劳德数；所述空泡长度与空化数之间的有理多项关系式的公式为：其中，L
c
为空泡长度；σ(z)为每个离散点上当前时刻的空化数；α
eff
为有效攻角，c为弦长；p
j
、q
k
为有理多项关系式的系数，k，j分别为公式(5)的阶数，该有理多项关系式的最高阶数分别为M
a
和N
a
；
升力线斜率与空泡长度之间的有理多项关系式的公式为：式中，a0为升力线斜率；r
l
、s
m
为有理多项关系式的系数，l，m分别为公式(6)的阶数，该有理多项关系式的最高阶数分别为M
b
和N
b
。4.根据权利要求1所述的切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，步骤六中所述升力系数的计算公式为：C
l
‑
2D
＝a0sin(α
eff
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中C
l
‑
2D
为水翼上各个离散点的二维升力系数，a0为升力线斜率，α
eff
为有效攻角。5.根据权利要求1所述的切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，步骤七所述下一时刻环量的公式为其中，c为弦长，U为来流速度，为下一时刻环量值，为各个离散点上当前时刻的升力系数，n为第n次迭代的当前时间步的序号。6.根据权利要求5所述的切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，步骤八中所述下一步迭代的初始环量值的公式为：其中，D为松弛因子，Γ
(n+1)
(z)为下一步迭代的初始环量值，Γ
(n)
(z)为当前时刻环量值，为下一时刻环量值。7.根据权利要求6所述的切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，当浸深比大于4时所述松弛因子取为D＝0.05+0.05e4‑
A
，当浸深比大于1小于4时所述松弛因子取为当浸深比小于1时所述松弛因子取为D＝0.4
‑
0.1e
A
‑1，式中A为水翼的浸深比。8.一种切割自由面水翼空泡长度预测方法，其特征在于，包括方法步骤：步骤一：根据切割自由面水翼的几何模型，等间距划分水翼的离散点；步骤二：根据离散点的位置与初始环量的椭圆函数关系或线性函数关系，初始化水翼沿着展长方向的环量分布；步骤三：由Biot
‑
Savart定理，根据当前时刻水翼各离散点上的环量分布计算水...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仁芳，丘润荻，王一伟，支玉昌，黄晨光，岳杰顺，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
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