一种用于飞行器水上迫降SPH模拟的直接造波方法与流程

一种用于飞行器水上迫降sph模拟的直接造波方法
技术领域
1.本发明涉及飞行器动力学领域，具体是一种用于飞行器水上迫降sph模拟的直接造波方法。


背景技术：

2.作业于特殊的河流、湖泊或海上环境的飞行器，其水上迫降性能是设计、生产商必须要考虑的问题。从抗坠毁性角度考虑，撞击过程中，水上迫降施加在飞机上的载荷与地面坠撞完全不同。因此，有必要对飞行器水上迫降的载荷、运动等力学问题展开专门的研究。而在飞行器仿真数值模拟分析中，模拟不同海况情况下的水上迫降特性是考验设计方案可靠性和实用性的重要保证。所以，在数值模拟程序中采用有效的波浪生成方法显得尤为重要。
3.同时，相较于有网格的基于网格的任意拉格朗日欧拉(arbitrary lagrangian eulerian,ale)法，光滑粒子动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,sph)采用大量的光滑粒子来对流场进行描述，不需要网格进行空间离散，可以避免自由面大变形对于网格法所造成的网格变形或缠结等问题，因此在处理入水冲击这类自由表面大变形的流动问题时具有天然优势。
4.sph方法的基础是积分插值理论。把整个流场的物质离散为一系列粒子，粒子具有速度、内能和质量等参数。流场中任意位置上的参量都可利用各粒子参量通过一个“核函数”的积分求得。最后将流体力学基本方程化为sph数值计算用的方程组，粒子按照这些计算得到的运动参数任意流动。sph方法已在自由表面抨击、水坝坍塌、气体爆炸等强非线性流体问题中显示出了高精度高效率的特点。
5.利用sph数值模拟来考察有浪条件下飞行器的迫降力学问题，首先要解决的是如何生成波浪水体，传统的方法是在水域一侧布置周期摆动的推波板，在推波板的推动下，逐渐造出符合要求的波浪，这一造波方法计算量大，耗时且实施不方便。


技术实现要素：

6.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种用于飞行器水上迫降sph模拟的直接造波方法，通过直接给波型的方式进行造波，根据水动力学规律，直接给出波浪水域各处水粒子的运动和动力学参数，而无需耗时的预先造波计算，为有浪条件下飞行器迫降问题的sph计算分析提供便利。
7.本发明提供了一种用于飞行器水上迫降sph模拟的直接造波方法，包括以下步骤：
8.1)建立飞行器模型；
9.2)对飞行器模型表面进行网格划分，网格大小与拟进行sph模拟的粒子大小一致，以面网格为基础，再贴着网格表面生成两层虚拟粒子；
10.3)导入sph求解器配置参数和飞行器网格模型，运用直接造波方法，求出有浪条件下水域流体粒子的速度、加速度和压强参数，并以此对水域粒子进行初始化，得到有波浪的
水域初始流场。
11.4)sph模块启动内核求解运算，模拟出飞行器在重力和水体冲击力作用下的六自由度运动过程，得到飞行器所受水动力及其运动响应规律。
12.5)使用后处理软件进行分析整理数据，为飞行器的设计提供参考。
13.进一步改进，步骤1)中采用catia软件建立设计的飞行器的简化模型。
14.进一步改进，步骤3)所述的直接造波方法通过直接给波型的方式进行造波，考虑前行波和驻波两种典型的波浪情况：其中，前行波波形水平速度垂直速度压强驻波波形水平速度垂直速度压强式中，h为浪高，即波峰到波谷的高度差，σ为角频率σ2＝gktanhkh，t为波浪传播时间，k为波数，l为波长，h为平均水深。
15.本发明有益效果在于：根据水动力学规律，直接给出波浪水域各处水粒子的运动和动力学参数，而无需耗时的预先造波计算，为有浪条件下飞行器迫降问题的sph计算分析提供便利。
附图说明
16.图1为前行波和驻波的波形及水动力运动参数的定义。
17.图2为直接造波法生成前行波的sph计算域示例。
18.图3为直接造波法生成驻波的sph计算域示例。
19.图4为运用直接造波法的直升机有浪条件水上迫降的sph模拟计算方案和流程。
20.图5为水面规则波浪情况下直升机的着水姿态示意图。
21.图6为水面规则波浪情况下和无波情况下直升机的水上迫降特性对比。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明作进一步说明。
23.直接造波法及运用直接造波法进行直升机水上迫降sph数值模拟计算的流程和方案如下：
24.第一步：建立直升机模型。使用catia软件建立设计的直升机的简化模型。
25.第二步：划分网格。对直升机模型表面进行网格划分，网格大小与拟进行sph模拟的粒子大小一致，以面网格为基础，再贴着表面生成两层虚拟粒子。
26.第三步：导入sph求解器配置参数和直升机网格模型，运用直接造波方法，求出有浪条件下水域流体粒子的速度和压强参数，并以此对水域粒子进行初始化，得到有波浪的
水域初始流场。
27.第四步：sph模块启动内核求解运算，模拟出直升机在重力和水体冲击力作用下的六自由度运动过程，得到直升机所受水动力及其运动响应规律。
28.第五步：使用后处理软件进行分析整理数据，为直升机的设计提供参考。
29.图1所示为前行波和驻波的波形及水动力运动参数的定义。根据水动力位势流理论，可推导出水域内各质点的运动参数和压强。
30.以前行波为例，其波面位移方程可表示为：
[0031][0032]
式中，h为浪高，即波峰到波谷的高度差，σ为角频率σ2＝gktanhkh，t为波浪传播时间，k为波数，l为波长，h为平均水深。其对应的速度势为：
[0033][0034]
波面以下水域内的水平方向速度可由速度势函数求偏导数得到：
[0035][0036]
其加速度为：
[0037][0038]
波面以下水域内的竖直方向速度由速度势函数求偏导数得到：
[0039][0040]
其加速度为：
[0041][0042]
水域的压力场由非定常伯努利方程确定，如下式所示：
[0043][0044]
代入边界条件，化简后可以得到：
[0045][0046]
类似地，驻波的相关参数也可以计算得到。前行波和驻波相关物理参数的表达式总结如表1所示。
[0047][0048]
其中：h为浪高，即波峰到波谷的高度差，σ为角频率σ2＝gktanhkh，t为波浪传播时间，k为波数，l为波长，h为平均水深。
[0049]
根据上述波浪力学理论，sph数值模拟在进行计算域粒子的初始化时，即可将计算得到的有浪条件的水域质点运动和压强参数赋给sph粒子，直接造出水域波浪，为有浪条件的直升机水上迫降数值模拟做好准备。
[0050]
图2、图3所示为利于上述直接造波法生成前行波和驻波的sph计算域的简单示例，其水域质点的运动和压强参数符合水动力学规律，能满足有浪条件直升机水上迫降问题sph数值模拟的要求。
[0051]
运用直接造波法的直升机有浪条件水上迫降的sph模拟计算方案和流程如图4所示。为了说明该方法的实用性和可靠性，使用具体的算例验证了这种直接造波方法。模拟工况：直升机俯仰角6
°
，波高1.25m，波长6.4m，着水位置为波峰，直升机前进速度为15.4m/s，垂直速度为1.5m/s。
[0052]
图5为直升机在使用本专利方法生成规则波水面的着水姿态(着水后的0.1s至0.4s状态)及其对水体的撞击效果，该方法很好的模拟了实际情况的水面波浪情况，并同时捕捉到了直升机对规则波浪水面的冲击特性。
[0053]
图6为水面规则波浪情况下和无波情况下直升机的水上迫降特性对比，其中(a)为规则波工况，(b)为平静水面工况。
[0054]
本发明具体适用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。