【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下航行器，具体地，涉及一种水下航行体脉动流场等效模型仿真方法及装置。
技术介绍
1、水下航行体流动的数值仿真，对于水动力优化、结构流激噪声和水动力噪声等实际工程问题有着非常紧密的联系。然而在实际工况下，水下航行体流动的雷诺数可高达107-109，且通常伴随着层流-湍流转捩和流动分离等复杂物理现象。针对于此，工业界中常用的雷诺平均模拟(rans)方法只能够预报水动力等整体物理量，难以处理流场脉动量并给出精细化的流动结构。然而，采用传统的大涡模拟方法，则需要在水下航行体表面附近布置大量网格以正确求解边界层内的流动，其所消耗的计算资源可占据整体的90％以上。以雷诺数为106量级的水下航行体流动的大涡模拟为例，其所采用的计算网格达到了惊人的109量级，这在实际工程问题中难以具有适用性。近年来，分离涡模拟(des)方法是一种处理高雷诺数流动较为流行的数值模拟方法，其基本思想是在边界层区域采用rans方法进行求解，在边界层之外采用les方法进行求解。由于该方法在边界层内仍采用rans方法进行求解，难以准确获得边界层内的脉动物理量，无法满足实际工程问题中十分关注的壁面压力脉动现象。
2、另一方面，传统的亚格子模型主要针对各向同性湍流，以能量产生与耗散相抵的局部平衡假设为基础，模型中的系数通常是一个根据经验选取的定值，但由于流场是动态变化的，并且在靠近壁面处的亚格子粘度νsgs相应减小。这导致传统的亚格子模型在计算过程中常产生过度的耗散，不适用于近壁流动及自由剪切流动。同时，由于其没有考虑能量传递过程，不能反映局部能
技术实现思路
1、针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种能够在满足实际工程要求的情况下实现脉动流场预报的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法及装置。
2、为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：
3、一种水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，包括以下步骤：
4、针对水下航行体，采用经验公式预估和定常计算修正的方式生成计算网格；
5、构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的cfd求解器；
6、根据数值仿真中推荐的等效模型参数和适用的边界条件及初始条件，求解得到水下航行体表面和脉动流场中的物理量。
7、优选地，所述针对水下航行体，采用经验公式预估和定常计算修正的方式生成计算网格的步骤，具体包括：
8、根据平板边界层厚度的经验公式预估水下航行体平行中体段末尾处的边界层厚度：其中，x为距离水下航行体艏部的流向距离，rex为根据x和来流速度得到的流向雷诺数；
9、在预估得到边界层厚度后，将近壁面首层网格高度设置为：δyw＝1/50δ，共设置30层网格，延伸比为1.03，同时流向和展向的网格尺度与近壁面首层网格高度之比不超过10；
10、在绘制完成计算网格后，利用定常rans方法对流场进行求解，待求解收敛后，输出水下航行体平行中体段末尾处的速度剖面，依照来流速度的99％确定实际的边界层厚度；
11、根据实际的边界层厚度，对计算网格进行修正，最终得到符合要求的计算网格。
12、优选地，所述构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的cfd求解器的步骤，具体包括：在求解器中采用单相不可压缩navier-stokes方程，包括连续性方程和动量方程：
13、
14、
15、
16、其中，是滤波后的速度，是滤波后的压力，ρ是密度，ν是分子运动粘度，τsgs是亚格子应力张量，νsgs是亚格子粘度，是应变张量；为了求解得到νsgs，采用考虑湍流各向异性的动态k方程亚格子模型，其求解的输运方程为：
17、
18、
19、其中，ksgs为亚格子动能，δ是滤波尺度，由网格尺度所决定；ck和cε为模型系数，对于动态k方程亚格子模型，其均为关于时间和空间的函数，根据流场状态动态调整，以适应动态变化的流场。
20、优选地，所述构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的cfd求解器的步骤，具体包括：引入包括时间导数项和压力梯度项的壁面应力模型，在距离壁面h的指定位置进行采样，将采样获得的速度、速度梯度、压力梯度和时间导数等流动物理量输入到壁面应力模型中计算得到壁面剪切应力，并最终施加到对应的壁面位置处，采用考虑非定常和压力梯度效应的非平衡壁面应力模型，基于薄边界层方程推导而来：
21、
22、其中，i＝1,3代表平行于壁面的方向，νt为湍流粘度；在cfd求解器中，该壁面应力模型以湍流粘度边界条件的形式植入，公式为：
23、
24、
25、优选地，所述根据数值仿真中推荐的等效模型参数和适用的边界条件及初始条件，求解得到水下航行体表面和脉动流场中的物理量的步骤，具体包括：在设置非定常les计算的初始条件时，通过定常rans方法计算得到收敛后的压力和速度场作为初始场，以此降低达到流动稳定所需要的计算时间；在设置非定常les计算的边界条件时，将计算域入口处设置为定常来流，将计算域出口设置为零梯度边界条件，将计算域四周设置为对称边界条件，将水下航行体表面设置为无滑移边界条件。
26、优选地，所述根据数值仿真中推荐的等效模型参数和适用的边界条件及初始条件，求解得到水下航行体表面和脉动流场中的物理量的步骤，具体包括：根据给出的数值仿真中推荐的等效模型参数和适用的边界条件及初始条件，通过piso循环求解控制方程求解得到水下航行体表面和脉动流场中的物理量。
27、进一步地，本专利技术还提供一种水下航行体脉动流场等效模型仿真装置，包括处理器以及用于存储所述处理器的可执行指令的存储器，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行如上所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法。
28、与现有技术相比，本专利技术的优点如下：
29、1、相较于仅考虑近壁面首层网格的传统网格绘制方法，本专利技术提出了一种基于经验公式预估和定常rans计算修正的网格生成方法，并给出了边界层网格的推荐参数。
30、2、通过采用考虑湍流各向异性的动态亚格子模型，可以实现亚格子尺度下小涡对大涡的反向能量传输，并实时根据局部流动信息调整模型系数，保证了亚格子应力的准确计算。
31、3、本专利技术能够在模拟水下航行体流动时将网格数量级从109降低到107，大大提高了计算效率。
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1.一种水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述针对水下航行体，采用经验公式预估和定常计算修正的方式生成计算网格的步骤，具体包括：
3.根据权利要求1所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的CFD求解器的步骤，具体包括：在求解器中采用单相不可压缩Navier-Stokes方程，包括连续性方程和动量方程：
4.根据权利要求3所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的CFD求解器的步骤，具体包括：引入包括时间导数项和压力梯度项的壁面应力模型，在距离壁面h的指定位置进行采样，将采样获得的速度、速度梯度、压力梯度和时间导数等流动物理量输入到壁面应力模型中计算得到壁面剪切应力，并最终施加到对应的壁面位置处，采用考虑非定常和压力梯度效应的非平衡壁面应力模型，基于薄边界层方程推导而来：
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6.根据权利要求5所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述根据数值仿真中推荐的等效模型参数和适用的边界条件及初始条件，求解得到水下航行体表面和脉动流场中的物理量的步骤，具体包括：根据给出的数值仿真中推荐的等效模型参数和适用的边界条件及初始条件，通过PISO循环求解控制方程求解得到水下航行体表面和脉动流场中的物理量。
7.一种水下航行体脉动流场等效模型仿真装置，其特征在于，所述装置包括处理器以及用于存储所述处理器的可执行指令的存储器，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行如权利要求1至6中任意一项所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法。
...【技术特征摘要】
1.一种水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述针对水下航行体，采用经验公式预估和定常计算修正的方式生成计算网格的步骤，具体包括：
3.根据权利要求1所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的cfd求解器的步骤，具体包括：在求解器中采用单相不可压缩navier-stokes方程，包括连续性方程和动量方程：
4.根据权利要求3所述的水下航行体脉动流场等效模型仿真方法，其特征在于，所述构建基于考虑湍流各向异性和边界层内层非定常效应大涡模拟方法的cfd求解器的步骤，具体包括：引入包括时间导数项和压力梯度项的壁面应力模型，在距离壁面h的指定位置进行采样，将采样获得的速度、速度梯度、压力梯度和时间导数等流动物理量输入到壁面应力模型中计算得到壁面剪切应力，并最终施加到对应的壁面位置处，采用考虑非定常和压力梯度效应的非平衡壁面应力模型，基于薄边界层方程推导而来：
5.根据权利要求1所述的水下航行体脉动流场等效模型...
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