面向水下航行器的复杂要域混合密度网格流场建模方法

本发明涉及水下航行器环境建模与流场预报，具体涉及一种面向水下航行器的复杂要域混合密度网格流场建模方法。

背景技术：

1、自主水下航行器在近岸巡检、港区航行、航道通过、岛礁周边任务以及复杂水域探测等应用中，需要获得任务水域内的流速、流向、自由液面及复杂边界影响下的流场信息。该类流场信息可以作为路径规划、航迹跟踪控制、能耗估计和任务区域风险判断的环境输入。

2、复杂水域通常存在港区出入口、码头、航道、岛屿、暗礁、海岸线、近岸结构物以及水下地形突变区域等约束区域。上述区域会导致边界层分离、绕流、回流、局部涡结构、自由液面扰动以及水深突变等现象，使流场呈现明显的三维性、非定常性和空间非均匀性。

3、在现有流场建模中，通常可采用计算流体力学方法建立计算域并进行网格划分，再通过控制方程求解获得流场结果。但是，当计算域同时包含大尺度主体流动区域和局部复杂边界区域时，如果全域采用统一高密度网格，计算规模较大；如果全域采用较低密度网格，则复杂边界、自由液面或近壁边界层处的流场特征难以充分解析。

4、另外，传统线性波浪或简化流场预测方法难以充分描述自由液面以下复杂三维流动，也难以兼顾水—空气两相自由液面、近壁湍流、复杂边界绕流以及主体流动区域的计算效率。对于面向水下航行器任务的应用，仅获得三维流场计算结果还不够，还需要将三维时变流速场转换为目标航行深度层处可查询、可调用的流场数据。

5、因此，需要一种能够面向复杂水域约束区域进行分区建模、按区域特征生成不同网格密度、在不同网格密度子计算域接口处进行变量插值传递，并输出目标航行深度层流场查询结果的流场建模方法，以在保证关键区域流场解析能力的同时降低整体计算量，并为水下航行器路径规划或航迹跟踪控制提供可调用的流场信息。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种面向水下航行器的复杂要域混合密度网格流场建模方法，旨在解决现有复杂水域流场建模中全域统一高密度网格计算规模大、低密度网格难以充分解析复杂边界和自由液面处流场特征，以及不同密度网格区域之间缺少合理接口变量传递机制导致变量衔接不足的问题。

2、为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

3、面向水下航行器的复杂要域混合密度网格流场建模方法，包括：

4、获取待建模水域的环境数据，所述环境数据包括地形边界数据、水深数据、来流速度数据、来流方向数据、自由液面位置数据以及复杂水域约束区域数据；

5、根据所述环境数据建立所述待建模水域的三维数值模型，使所述三维数值模型包括水域地形、入口边界、出口边界、自由液面、壁面边界以及复杂水域约束区域；

6、根据复杂水域约束区域的几何边界、自由液面位置、近壁边界层位置以及主体流动区域位置，将所述三维数值模型对应的计算域划分为多个子计算域，并使相邻子计算域通过接口边界耦合；

7、对包含复杂水域约束区域几何边界、自由液面或近壁边界层的子计算域生成第一网格密度的局部加密网格，对远离所述复杂水域约束区域几何边界且位于主体流动区域的子计算域生成第二网格密度的主体流动区域网格，其中所述第一网格密度大于所述第二网格密度；

8、在相邻的不同网格密度子计算域之间，通过接口边界对流场变量进行插值传递，并在所述接口边界涉及自由液面的情况下对相体积分数进行插值传递，以形成分区变密度网格流场计算模型；

9、在所述分区变密度网格流场计算模型上，采用rans控制方程、sst-两方程湍流模型和vof多相流模型进行非定常流场求解，得到所述待建模水域的三维时变流速场；

10、根据水下航行器的目标航行深度层，从所述三维时变流速场中提取对应深度层的流场数据，并对所述流场数据进行空间插值，生成供水下航行器路径规划或航迹跟踪控制调用的流场查询结果。

11、进一步地，所述子计算域包括复杂边界子计算域、自由液面子计算域、近壁边界层子计算域和主体流动子计算域；所述复杂边界子计算域用于覆盖港区出入口、码头、航道、岛屿、暗礁、海岸线、港口边界、近岸结构物或水下地形突变区域附近的局部区域；所述自由液面子计算域用于覆盖水—空气两相界面附近区域；所述近壁边界层子计算域用于覆盖壁面无滑移边界附近区域；所述主体流动子计算域用于覆盖远离复杂边界且流动变化平缓的区域；所述子计算域的划分依据包括复杂水域约束区域几何边界到计算域内空间位置的距离、几何边界曲率、自由液面位置、近壁区域法向距离以及主体流动区域范围。

12、进一步地，当计算域内空间位置到复杂水域约束区域几何边界的距离小于第一距离阈值时，将该空间位置划入第一网格密度对应的局部加密区域；当该距离大于或等于第一距离阈值且小于第二距离阈值时，将该空间位置划入过渡网格密度区域；当该距离大于或等于第二距离阈值且位于主体流动区域时，将该空间位置划入第二网格密度对应的主体流动区域；其中，第一距离阈值小于第二距离阈值，所述第一距离阈值和第二距离阈值根据水域尺度、边界曲率、预期流场梯度和计算资源设定。

13、进一步地，所述局部加密网格包括在自由液面附近生成的自由液面局部加密网格、在复杂岸边、岛屿、暗礁、码头或航道对应的几何边界处生成的复杂水域约束区域局部加密网格，以及在无滑移壁面附近生成的边界层加密网格；所述局部加密网格采用局部尺寸约束、局部影响体、边界层网格、曲率控制网格或接近度控制网格中的一种或多种方式生成；所述主体流动区域网格采用非结构化网格、多面体网格、六面体网格或其组合。

14、进一步地，所述通过接口边界对流场变量进行插值传递包括：对于速度变量，根据接口两侧网格面中心或网格单元中心的位置关系进行插值映射，或者根据接口重叠面积进行面积加权插值；对于压力变量，根据接口邻近单元的压力值进行插值，并将插值结果用于压力—速度耦合求解；对于相体积分数，在涉及自由液面的接口边界处进行插值，并对插值后的相体积分数进行范围约束；当插值结果小于0时将其截断为0，当插值结果大于1时将其截断为1，或者对接口邻域内的相体积分数进行归一化处理，使各相体积分数满足相加为1的约束；所述接口边界为网格节点匹配的接口边界或网格节点不完全匹配的非匹配接口边界。

15、进一步地，所述sst-两方程湍流模型以湍动能和比耗散率为求解变量，用于在所述复杂水域约束区域的局部加密网格和近壁边界层加密网格中模拟流动分离、回流和壁面湍流特性；所述vof多相流模型用于在所述自由液面对应的局部加密网格中追踪水—空气两相流自由液面，当计算网格中相体积分数满足时，将该计算网格确定为自由液面界面网格；对于水—空气两相流界面网格，混合密度由各相流体的密度和体积分数加权确定。

16、进一步地，所述非定常流场求解的边界条件包括入口速度边界条件、出口压力边界条件、壁面无滑移边界条件，以及在存在空气域时设置的空气域外边界对称条件；所述非定常流场求解采用有限体积法对流动控制方程进行离散，并采用压力—速度耦合算法求解压力场和速度场；当所述分区变密度网格流场计算模型中存在大纵横比网格、相邻单元体积差异较大的网格或多面体混合网格时，采用梯度修正方式进行流场变量梯度求解。

17、进一步地，流场查询结果通过查询流场查询表得到；查询流场查询表基于位置坐标和时间索引建立，用于输出查询位置处的流速预测值；

18、查询位置包括水下航行器规划路径节点、候选路径节点或任务区域采样节点；当查询位置不位于已有采样点或网格节点时，根据查询位置周围采样点或网格节点的流速分量进行空间插值；当查询时间不等于已有计算时刻时，根据相邻计算时刻的流场数据进行时间插值；所述空间插值采用三次样条插值、双线性插值、双三次插值或径向基函数插值中的至少一种。

19、面向水下航行器的复杂水域分区变密度网格流场建模系统，基于所述方法，包括环境数据获取模块、三维模型构建模块、子计算域划分模块、变密度网格生成模块、接口变量传递模块、非定常流场求解模块和流场结果输出模块；

20、所述环境数据获取模块用于获取待建模水域的环境数据，所述环境数据包括地形边界数据、水深数据、来流速度数据、来流方向数据、自由液面位置数据以及复杂水域约束区域数据；

21、所述三维模型构建模块用于根据所述环境数据建立所述待建模水域的三维数值模型，所述三维数值模型包括水域地形、入口边界、出口边界、自由液面、壁面边界以及复杂水域约束区域；

22、所述子计算域划分模块用于根据复杂水域约束区域的几何边界、自由液面位置、近壁边界层位置以及主体流动区域位置，将所述三维数值模型对应的计算域划分为多个子计算域，并使相邻子计算域通过接口边界耦合；

23、所述变密度网格生成模块用于对包含复杂水域约束区域几何边界、自由液面或近壁边界层的子计算域生成第一网格密度的局部加密网格，并对主体流动区域的子计算域生成第二网格密度的主体流动区域网格，其中所述第一网格密度大于所述第二网格密度；

24、所述接口变量传递模块用于在相邻的不同网格密度子计算域之间通过接口边界对至少包括流速和压力的流场变量进行插值传递，并在所述接口边界涉及自由液面的情况下对相体积分数进行插值传递；

25、所述非定常流场求解模块用于采用rans控制方程、sst-两方程湍流模型和vof多相流模型进行非定常流场求解，得到三维时变流速场；

26、所述流场结果输出模块用于根据水下航行器的目标航行深度层提取至少包括水平流速分量的流场数据，并通过空间插值生成供水下航行器路径规划或航迹跟踪控制调用的流场查询结果。

27、一种电子设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中的计算机程序；处理器执行计算机程序时，实现所述面向水下航行器的复杂要域混合密度网格流场建模方法。

28、一种计算机可读存储介质，所述介质中存储有计算机程序；计算机程序被处理器执行时，实现所述面向水下航行器的复杂要域混合密度网格流场建模方法。

29、与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

30、1.本发明通过按照复杂水域约束区域、自由液面、近壁边界层和主体流动区域划分子计算域，并设置第一网格密度和第二网格密度，本发明能够在复杂边界、自由液面和近壁区域提高网格解析能力，同时避免在主体流动区域采用不必要的全域高密度网格。

31、2.本发明通过在相邻不同网格密度子计算域的接口边界之间对流速、压力以及相体积分数进行插值传递，本发明能够使速度场、压力变量和自由液面界面位置在不同网格密度区域之间相互衔接，有利于提高分区变密度网格流场计算模型的求解连续性。

32、3.本发明通过在分区变密度网格流场计算模型上结合rans控制方程、sstk-ω两方程湍流模型和vof多相流模型，本发明能够兼顾复杂水域中的非定常流动、近壁湍流和水—空气自由液面追踪，适用于港区、航道、岛礁、暗礁及近岸结构物等复杂水域场景。

33、4.本发明通过从三维时变流速场中提取目标航行深度层的流场数据，并建立以位置坐标和时间索引为基础的流场查询表，本发明能够将三维流场求解结果转换为水下航行器路径规划或航迹跟踪控制可调用的数据形式。