适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法，步骤如下：对k

【技术实现步骤摘要】
适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法


[0001]本专利技术属于水下流动分离
，具体涉及一种适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法。

技术介绍

[0002]水下航行体在上浮或者下潜中会出现大攻角的航行状态，这个过程中的水动力学流体流动过程非常复杂，呈现强烈的非线性、多尺度流动分离特性。目前的半经验方法或基于稳态计算的计算流体力学(CFD)方法对航行体的流动分离的预测及水动力受力计算精度较差，无法满足未来水下航行体高可靠性、高机动性、高安全性的需求，因此发展精细的水下航行体流动分离高精度计算方法对水下航行体操纵运动预报及安全操控具有重要的意义。
[0003]水下航行体水动力学研究中，当流动的雷诺数超过一定的范围后，流体由层流状态变成了湍流。湍流包含了大量的多尺度、随机漩涡，呈现出强烈的多尺度不规则性、耗散性、扩散性等特征。尽管一个多世纪以来，人们对湍流的计算和预测已经取得了长足的进步，但在很多极端工况下，如大分离流动等，计算的可靠性和精度尚不能满足设计的需求。水下航行体水动力学CFD研究中，高精度湍流模型是制约计算精度的核心问题之一。
[0004]水下航行体通常尺寸较大，因此在工作状态下外部流动的雷诺数(Re)很高，如某些船舶的流动雷诺数高达107量级以上。湍流流动雷诺数越高，湍流从最小尺度到最大尺度涉及的范围也就越大。为了能有效地描述这些不同尺度的复杂非线性运动，对湍流模型的要求随雷诺数增高而增高。另一方面，湍流本身是随机的非稳态(unsteady)过程。目前占主导地位的雷诺平均(RANS)湍流模拟方法由于其内在的局限性，也即它求解的是对所有的湍流尺度进行平均后的平均量，从而无法对非稳态(unsteady)的湍流结构进行有效的描述，导致流动分离过程中水动力计算的精度及可靠性较差。大涡模拟方法(LES)适用于非定常流动分离过程的计算，但是大涡模拟对于固体壁面附近计算需要非常细密的计算网格，导致计算资源消耗巨大，目前难以应用到大尺寸水下航行体的分离流动计算中。
[0005]水下航行体外部的高雷诺数湍流流动在大攻角等状态下中存在着显著的流动分离现象。分离流动是流体力学中一类复杂的流动现象，普遍存在于航海、航空航天、船舶、交通运输等实际工程问题中。由于流动分离现象对物体的绕流特性和物体的受力特性有着十分重要的影响，长期以来研究发现基于稳态RANS方法对分离现象及其流动特性的计算精度较差以及大涡模拟方法LES计算资源消耗过大，严重制约了水下航行体水动力的精细化研制需求。
[0006]由于潜艇本身的结构特点，其周围流动十分复杂，主附体交接部不可避免地会有马蹄涡的产生，马蹄涡形成后促使结合部发生三维边界层分离，而三维边界层分离又进一步增强马蹄涡的强度等。此外，指挥台围壳处的马蹄涡与艉舵处的马蹄涡向下游传播发展，对尾流有明显的影响。潜艇周围的三维流场信息特别是分离涡的存在对潜艇性能影响至关重要。而这些涡系结构呈现强烈的非定常脉动特性，亟需开发高精度、高效的适用于水下航
行体复杂分离流动的湍流模拟方法。

技术实现思路

[0007]针对于上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法，以解决现有的湍流模拟技术中存在的计算精度差或计算成本过高的问题；本专利技术的方法能够在相对粗糙的计算网格下(网格量约700万)对水下航行体大攻角绕流和流动分离现象进行准确的模拟和预测。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0009]本专利技术的一种适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法，步骤如下：
[0010]1)对k
‑
ε湍流模型应力进行重新模化，通过雷诺应力衰减得到亚格子尺度湍流应力张量，其中，为雷诺应力，为湍流应力张量，F
r
为分辨率控制函数；
[0011]2)基于湍流能谱改进分辨率控制函数F
r
，得到改进后的分辨率控制函数F
r*
，改进后的分辨率控制函数F
r*
中包含三种湍流尺度，分别为积分长度尺度L
i
、滤波尺度L
c
和Kolmogorov长度尺度L
k
；
[0012]3)针对WALE亚格子应力模型进行主流自由湍流模型修正，进而计算所述步骤2)中分辨率控制函数中的滤波尺度系数C
x
，并进一步计算分辨率控制函数大小；
[0013]4)随着步骤2)中的三个湍流尺度的大小变化，使所述步骤2)中分辨率控制函数进行自适应调整，来实现非定常RANS、LES和DNS湍流模式三者之间的自适应过渡；
[0014]5)使用部分可解数值模拟方法和有限数值尺度方法，将形式简化为其中μ
tsub
为修改后的湍流粘性系数，基于步骤2)中改进后的分辨率控制函数F
r*
，将可实现k
‑
ε湍流模型中的湍流粘性系数μ
tRANS
进行重新模化，以完成自适应湍流模拟建模过程；
[0015]6)对水下航行体流动进行非定常计算。
[0016]进一步地，所述步骤1)的分辨率控制函数表达式为：
[0017][0018]式中，β
‑
O(10
‑3)，n
‑
O(1)为模型常参数，Δ为网格尺度，L
k
为Kolmogorov长度尺度，定义为：
[0019]L
k
＝ν
3/4
/ε
1/4
[0020]其中，ε为湍流动能耗散率，ν为分子运动粘性系数。
[0021]进一步地，所述步骤2)基于湍流能谱改进后的分辨率控制函数F
r*
的表达式为：
[0022][0023]假设步骤1)中的分辨率控制函数F
r
中适用于惯性子区尺度，结合改进后的分辨率
控制函数F
r*
，且需要保证改进后的分辨率控制函数F
r*
∈[0,1]，改进后的分辨率控制函数F
r*
表达式如下：
[0024][0025]其中，n＝2和β＝0.002为模型常数，L
i
，L
c
和L
k
分别为积分长度尺度，滤波尺度和Kolmogorov长度尺度，表达式分别为：
[0026]L
c
＝C
x
(Δ
x
Δ
y
Δ
z
)
1/3
[0027]L
i
＝k
3/2
/ε
[0028]L
k
＝ν
3/4
/ε
1/4
[0029]其中，Δ
x
,Δ
y
,Δ
z
分别为网格在x,y,z三个方向上的尺度大小，k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法，其特征在于，步骤如下：1)对k
‑
ε湍流模型应力进行重新模化，通过雷诺应力衰减得到亚格子尺度湍流应力张量，其中，为雷诺应力，为湍流应力张量，F
r
为分辨率控制函数；2)基于湍流能谱改进分辨率控制函数F
r
，得到改进后的分辨率控制函数F
r*
，改进后的分辨率控制函数F
r*
中包含三种湍流尺度，分别为积分长度尺度L
i
、滤波尺度L
c
和Kolmogorov长度尺度L
k
；3)针对WALE亚格子应力模型进行主流自由湍流模型修正，进而计算所述步骤2)中分辨率控制函数中的滤波尺度系数C
x
，并进一步计算分辨率控制函数大小；4)随着步骤2)中的三个湍流尺度的大小变化，使所述步骤2)中分辨率控制函数进行自适应调整，来实现非定常RANS、LES和DNS湍流模式三者之间的自适应过渡；5)使用部分可解数值模拟方法和有限数值尺度方法，将形式简化为其中μ
tsub
为修改后的湍流粘性系数，基于步骤2)中改进后的分辨率控制函数F
r*
，将可实现k
‑
ε湍流模型中的湍流粘性系数μ
tRANS
进行重新模化，以完成自适应湍流模拟建模过程；6)对水下航行体流动进行非定常计算。2.根据权利要求1所述的适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法，其特征在于，所述步骤1)的分辨率控制函数表达式为：式中，β
‑
O(10
‑3)，n
‑
O(1)为模型常参数，Δ为网格尺度，L
k
为Kolmogorov长度尺度，定义为：L
k
＝ν
3/4
/ε
1/4
其中，ε为湍流动能耗散率，ν为分子运动粘性系数。3.根据权利要求2所述的适用于水下航行体流动分离计算的自适应湍流模拟方法，其特征在于，所述步骤2)基于湍流能谱改进后的分辨率控制函数F
r*
的表达式为：假设步骤1)中的分辨率控制函数F
r
中适用于惯性子区尺度，结合改进后的分辨率控制函数F
r*
，且需要保证改进后的分辨率控制函数F
r*
∈[0,1]，改进后的分辨率控制函数F
r*
表达式如下：其中，n＝2和β＝0.002为模型常数，L
i
，L
c
和L
k
分别为积分长度尺度，滤波尺度和
Kolmogorov长度尺度，表达式分别为：L
...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩省思，刘旋，鹿高千，陈涛，毛军逵，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：