一种基于VOF模型结合LBM-LES大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法 专利技术说明

计算;推算;计数设备的制造及其应用技术一种基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法技术领域1.本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法。背景技术：2.在江河湖海中，舰船驶过水面后会形成一条长度可达数千米且持续很长时间的尾迹区，舰船尾迹的研究具有重大的意义，根据尾迹可以推算出舰船的位置、估算舰船的运动参数等，有利于高效地管制水上交通，开展海上救援，防止外部潜艇的入侵等。其次，研究舰船尾流可用于配合生态环境保护管理部门打击非法捕鱼、监测非法倾倒油污。此外，研究舰船尾流可以提高鱼雷的有效半径，有利于扩大其自身和载体的作战能力，降低制造鱼雷的成本。3.在现有技术条件下，依靠实船进行尾迹实验花费巨大，测量数据有限，测量结果精度低，实施难度大。随着计算机软硬件水平的提高，计算流体动力学技术在舰船尾迹模拟方面得到广泛应用。4.在气液两相界面追踪方面，传统的追踪方法都具有存储量大，应用复杂，追踪界面锐利性差，精度低的特点，并通常搭配lbm使用。传统lbm是一种介于宏观与微观之间的介观方法，它不考虑单个粒子的运动，而是将所有粒子的运动视为一个整体，它同时具有微观方法和宏观方法的优势，具有编程简单、实施容易的优点，但由于其对边界条件依赖性太强，只能模拟中低雷诺数流动，对处理高雷诺数时计算稳定性不是很好，难以收敛。5.现有技术多半依赖单一模型方法对喷水推进舰船喷口尾迹进行数值模拟，结果缺乏精确性和可靠性。因此，本发明提供一种结果精准可靠的基于vof两相流模型结合lbm-les大涡模拟方法的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法。技术实现要素：6.在喷水推进舰船运行过程中，喷口所处状态比较复杂。舰船正常运行时，喷口处于半淹没状态；舰船启动和低速航行时，喷口处于淹没状态；舰船高速运行时，喷口处于非淹没状态。对于喷水推进舰船喷口湍流尾迹的数值模拟应考虑自由水面的影响，而且自由水面和喷口旋转射流的相互作用也是尾迹形成的主要原因，因此采用vof两相流模型结合基于 boltzmann方法的大涡模拟(lbm-les)开展数值模拟研究，利用lbm模型在处理破碎交界面的优势与vof两相流模型在捕捉自由界面的优势相结合，从而实现对喷口旋转射流与环境水体相互作用导致的水体飞溅破碎及自由面变形现象进行精确模拟。本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法。7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：8.一种基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法，包括以下步骤：9.s1、应用ug软件建立喷水推进舰船实体三维模型；根据喷水推进舰船喷口结构和参数，基于vof两相流模型结合lbm-les大涡模拟方法建立喷口尾迹数值模拟计算域；10.s2、采用网格划分技术对喷口尾迹数值模拟计算域进行网格划分，对喷口所在区域范围进行网格加密；11.s3、定义包含大气、水体的模型为计算域，定义材料及相、设置相间相互作用、设置边界条件后，采用vof模型追踪两相流界面；12.s4、将vof两相流模型结合lbm-les大涡模拟，对流场使用滤波函数，将独立的变量分解为大尺度的可解分量和亚格子尺度量；设置收敛标准、计算时间步长、计算总时长，利用piso算法对喷水推进舰船喷口尾迹进行数值模拟；13.s5、监测物理量，开启数据采样，输出尾迹运动特征的模拟结果。14.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：15.进一步地，步骤s2中，网格加密后，通过网格偏度指标判断网格质量。16.进一步地，步骤s3中，将主相设置为大气，次相设置为水体。17.进一步地，步骤s3中，相间相互作用包括重力、界面张力，选择连续表面应力模型。18.进一步地，步骤s3中，边界条件设置为固定壁面采用无滑移壁面，进口设置为速度入口，水的体积分数值设定为1；出口位置设置为压力出口，压力为0，出口内部初始条件的水的体积分数设定为0。19.本发明的有益效果是：20.现有技术中，通常是采用单一模型方法对喷水推进舰船喷口尾迹进行数值模拟，结果缺乏精确性和可靠性。本发明在气液两相界面追踪方面首先选用vof(volume of fluid)两相流模型，其以流量追踪为判据构造自由面形状，具有存储量小，应用简单，追踪界面锐利性好，精度高的特点；然后结合lbm-les方法，将大涡模拟的思想加入到lbm中。由函数分布的非平衡态项求得变形率张量，由变形率张量、smagorinsky常数、滤波宽度来确定湍流粘性系数，即松弛时间中对应的湍流粘性系数由smagorinsky模型计算。这样，运动粘度是改变的，从而松弛时间也是不断改变的，与传统lbm相比能够有效提高雷诺数。此外，lbm-les模型能够得到更多瞬态两相流特征信息，包括多尺度的涡结构、瞬时速度分布等，同时又克服了直接数值模拟由于需要求解所有湍流尺度而带来的巨大计算能力需求的问题。21.本发明提供的基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法能够准确地对喷水推进舰船喷口尾迹进行模拟，能研究不同航行速度、不同水流条件、不同环境因素对尾迹特性的影响，模拟过程更接近实际情况。相比原位测量和实验室模拟两种常规的探测和模拟方式，本发明能通过数值模拟获取尾迹任意部位、任意运动时间点的运动数据，同时还具有运行成本低的优势。附图说明22.图1为喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法流程图；23.图2为喷水推进舰船三维实体模型图；24.图3为喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟计算域。具体实施方式25.采用基于vof模型结合lbm-les大涡模拟的喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟方法，如图1所示，对瑞典维斯比级轻型护卫舰进行模拟，具体包括以下步骤：26.s1、通过三维建模软件ug建立喷水推进舰船的实体三维模型(图2)；舰长l为72米，舷宽b为10.4m，吃水t为2.4m，采用2台kamewa 125s-2喷射推进器，基于vof两相流模型结合lbm-les大涡模拟方法应用ug软件建立喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟计算域 (图3)；27.s2、采用网格划分技术对喷口尾迹数值模拟计算域进行网格划分，为精确模拟船舶尾迹，对喷口所在区域范围进行网格加密，通过网格偏度指标判断网格质量，确保计算结果的精确性；28.s3、定义喷水推进舰船喷口尾迹数值模拟计算域为包含空气、水体模型的计算域，计算域长为13l，宽为4l，高为3l(空气域高为1l，水体域高为2l)，考虑重力及两相间的界面张力，采用vof模型追踪两相流界面(自由水面)，计算过程假定流动是等温的，不考虑相间蒸发，气液均不可压缩，相间蒸发和气液压缩的数值均设置为0；设置材料参数，将主相(primary phase)设置为大气(air)，次相(secondary phase)设置为水体(water)；设置相间相互作用，选择连续表面应力模型(css)；设置边界条件，固定壁面采用无滑移壁面，进口设置为速度入口，水的体积分数值设定为1；出口位置设置为压力出口，压力为0，出口内部初始条件的水的体积分数设定为0；29.s4、将vof两相流模型结合lbm-les大涡模拟，对流场使用滤波函数，将独立的变量分解为大尺度的可解分量和亚格子尺度量(subgrid scale，sgs)，前者可以被计算网格分辨出来，并直接通过求解控制方程式得出，后者由于其各向同性的特点，可通过模型化来求解，选用wale模型；利用基于压力和速度耦合的piso算法对喷水推进舰船喷口尾迹进行数值模拟；设置收敛标准低于1.0×10-5、计算时间步长0.0002s、设定计算总时长为0.02s；30.s5、根据计算结果，输出尾迹运动特征的模拟结果：导出速度云图，得到舰船尾迹随时间的变化情况，航速对交界面上水质点速度分布的影响等。31.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。









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