一种水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟方法及装置与流程

1.本发明涉及数据处理技术领域，尤其是一种水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟方法及装置。


背景技术：

2.水上飞机是可以在水面上滑行、起飞和降落的一种飞机，具有机动性和可达性号、安全性高、易于大型化等显著特点。由于水动力、气动力的综合作用以及水气两相等复杂的非线性现象，水上飞机水面状态航行性能的研究还不够充分，预报精度也有待提高。
3.在水面航行过程中，水上飞机的机体绕流场具有水动力为主的高傅汝德数流场特征，而机翼绕流场是以气动力为主的未充分发展湍流场，这两种流场的交混和耦合给数值模拟带来了巨大的难题。在工程领域，针对高傅汝德数水动力流场一般采用高雷诺数湍流模型进行求解，针对低雷诺数气动力流场一般采用低雷诺数湍流模型进行求解，并且均被验证具有较高的计算精度。因此，难以采用同一种湍流模拟方法来同时兼顾水、气湍流场的模拟精度，迫切需要一种能兼顾水上飞机水气交混湍流场特征的数值模拟方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明实施例提供一种精度高的水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟方法及装置。
5.本发明的一方面提供了一种水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟方法，包括：
6.根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格；
7.根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域；
8.采用一方程湍流模型对所述低雷诺数湍流场进行求解，得到气动力湍流场，并采用二方程湍流模型对所述高雷诺数区域进行求解，得到水动力湍流场；
9.根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场；
10.根据所述水气交混湍流场，确定水气耦合高精度湍流场；
11.根据所述水气耦合高精度湍流场，计算满足运动平衡时整机模型的流体动力信息。
12.可选地，所述根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域，包括：
13.配置湍流变量信息、初始条件信息和边界值；
14.根据线性求解器对所述湍流变量信息、初始条件信息和边界值进行求解，得到水上飞机湍流场的初步结果；
15.根据所述计算域网格，对水上飞机湍流场的初步结果进行划分，得到以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域。
16.可选地，所述根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场，
包括：
17.根据所述气动力湍流场进行第一插值处理；
18.根据所述水动力湍流场进行第二插值处理；
19.根据所述第一插值处理和所述第二插值处理的结果，确定水气交混湍流场。
20.可选地，所述根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场，还包括：
21.分别从机翼的气动力湍流场和机身的水动力湍流场向水气界面进行插值，得到水面交界处的交混湍流场；
22.根据水气交界面是否出现异常耗散来判断数值稳定性；
23.当数值稳定性不满足预设条件时，针对不同湍流区域继续进行湍流修正。
24.可选地，所述一方程湍流模型为spalart-allmaras模型；所述一方程通过涡黏系数的输运方程来描述湍流状态；
25.所述二方程湍流模型包括k-ε模型或者k-ω模型，所述k-ε模型或者k-ω模型通过湍动能、湍动能耗散率或比动能耗散率ω来描述湍流状态。
26.可选地，所述方法还包括：
27.当所述整机模型达到稳定的水气界面后，释放所述水上飞机的运动自由度，判断当前水上飞机是否满足运动平衡条件，若不满足，则调整所述水上飞机的运动姿态返回执行根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格的步骤。
28.可选地，所述第一插值处理包括逆距离加权插值处理或最小二乘法插值处理；所述第二插值处理包括逆距离加权插值处理或最小二乘法插值处理。
29.本发明实施例的另一方面还提供了一种水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟装置，包括：
30.第一模块，用于根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格；
31.第二模块，用于根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域；
32.第三模块，用于采用一方程湍流模型对所述低雷诺数湍流场进行求解，得到气动力湍流场，并采用二方程湍流模型对所述高雷诺数区域进行求解，得到水动力湍流场；
33.第四模块，用于根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场；
34.第五模块，用于根据所述水气交混湍流场，确定水气耦合高精度湍流场；
35.第六模块，用于根据所述水气耦合高精度湍流场，计算满足运动平衡时整机模型的流体动力信息。
36.本发明实施例的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
37.所述存储器用于存储程序；
38.所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
39.本发明实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
40.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的
处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
41.本发明的实施例根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格；根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域；采用一方程湍流模型对所述低雷诺数湍流场进行求解，得到气动力湍流场，并采用二方程湍流模型对所述高雷诺数区域进行求解，得到水动力湍流场；根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场；根据所述水气交混湍流场，确定水气耦合高精度湍流场；根据所述水气耦合高精度湍流场，计算满足运动平衡时整机模型的流体动力信息。本发明实施例充分利用一方程湍流模型之于气动力计算和二方程湍流模型之于水动力计算的优势，可以改善水气状态湍流场模拟精度低造成的水上飞机动力性能预报不准的问题，提高了模拟精度。
附图说明
42.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
43.图1为本发明实施例的整体步骤流程图。
具体实施方式
44.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
45.针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种水上飞机水气交混状态湍流场的数值模拟方法，以解决现有水上飞机在水面航行过程中的湍流场预报精度不高的问题。该方法综合应用现有成熟湍流模型，即在航空领域成熟应用的spalart-allmaras一方程模型和在船舶水动力被验证具有较高精度的k-ε或k-ω二方程湍流模型，分别求解水上飞机的机翼气动力湍流场和机身水动力湍流场，能有效解决水气交混状态湍流模拟精度造成的水上飞机运动预报失准问题，从而提升水上飞机整体湍流场的预报精度。
46.具体地，本发明的一方面提供了一种水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟方法，包括：
47.根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格；
48.根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域；
49.采用一方程湍流模型对所述低雷诺数湍流场进行求解，得到气动力湍流场，并采用二方程湍流模型对所述高雷诺数区域进行求解，得到水动力湍流场；
50.根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场；
51.根据所述水气交混湍流场，确定水气耦合高精度湍流场；
52.根据所述水气耦合高精度湍流场，计算满足运动平衡时整机模型的流体动力信
息。
53.可选地，所述根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域，包括：
54.配置湍流变量信息、初始条件信息和边界值；
55.根据线性求解器对所述湍流变量信息、初始条件信息和边界值进行求解，得到水上飞机湍流场的初步结果；
56.根据所述计算域网格，对水上飞机湍流场的初步结果进行划分，得到以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域。
57.可选地，所述根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场，包括：
58.根据所述气动力湍流场进行第一插值处理；
59.根据所述水动力湍流场进行第二插值处理；
60.根据所述第一插值处理和所述第二插值处理的结果，确定水气交混湍流场。
61.可选地，所述根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场，还包括：
62.分别从机翼的气动力湍流场和机身的水动力湍流场向水气界面进行插值，得到水面交界处的交混湍流场；
63.根据水气交界面是否出现异常耗散来判断数值稳定性；
64.当数值稳定性不满足预设条件时，针对不同湍流区域继续进行湍流修正。
65.可选地，所述一方程湍流模型为spalart-allmaras模型；所述一方程通过涡黏系数的输运方程来描述湍流状态；
66.所述二方程湍流模型包括k-ε模型或者k-ω模型，所述k-ε模型或者k-ω模型通过湍动能、湍动能耗散率或比动能耗散率ω来描述湍流状态。
67.可选地，所述方法还包括：
68.当所述整机模型达到稳定的水气界面后，释放所述水上飞机的运动自由度，判断当前水上飞机是否满足运动平衡条件，若不满足，则调整所述水上飞机的运动姿态返回执行根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格的步骤。
69.可选地，所述第一插值处理包括逆距离加权插值处理或最小二乘法插值处理；所述第二插值处理包括逆距离加权插值处理或最小二乘法插值处理。
70.本发明实施例的另一方面还提供了一种水上飞机的水气交混状态湍流场的模拟装置，包括：
71.第一模块，用于根据导入的水上飞机模型，确定所述水上飞机模型的计算域网格；
72.第二模块，用于根据所述计算域网格，将所述水上飞机的水气交混状态湍流场划分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域；
73.第三模块，用于采用一方程湍流模型对所述低雷诺数湍流场进行求解，得到气动力湍流场，并采用二方程湍流模型对所述高雷诺数区域进行求解，得到水动力湍流场；
74.第四模块，用于根据所述气动力湍流场和所述水动力湍流场，确定水气交混湍流场；
75.第五模块，用于根据所述水气交混湍流场，确定水气耦合高精度湍流场；
76.第六模块，用于根据所述水气耦合高精度湍流场，计算满足运动平衡时整机模型的流体动力信息。
77.本发明实施例的另一方面还提供了一种电子设备，包括处理器以及存储器；
78.所述存储器用于存储程序；
79.所述处理器执行所述程序实现如前面所述的方法。
80.本发明实施例的另一方面还提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有程序，所述程序被处理器执行实现如前面所述的方法。
81.本发明实施例还公开了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器可以从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前面的方法。
82.下面结合说明书附图，对本发明的具体实现过程进行详细描述：
83.如图1所示，本发明实施例提供了一种水上飞机水气交混状态湍流场的数值模拟方法，在调用物理模型求解湍流场时引入了一种混合涡黏模型，将水上飞机水气交混状态湍流场区分为以气动力为主的低雷诺数湍流场和以水动力为主的高雷诺数区域，分别采用一方程湍流模型和二方程湍流模型进行求解；对于水、气界面的交混区域，通过数值插值和数值修正保证水气界面的稳定性；
84.所述一方程湍流模型是指spalart-allmaras模型，直接求解一个由涡黏系数的输运方程来描述湍流状态，该方程的形式为：
[0085][0086]
式中，ν是分子运动粘度，g
ν
为湍流粘度的产生项，y
ν
为近壁面区域的湍流粘度破坏项，和c
b2
是常量，是源项；
[0087]
所述二方程湍流模型是指k-ε模型或者k-ω模型，分别通过湍动能k、湍动能耗散率ε或者湍动能k、比动能耗散率ω来描述湍流状态；
[0088][0089][0090][0091]
其中sk、s
ε
、s
ω
分别为各自湍流描述变量相关的源项；
[0092]
所述数值模拟方法在调用湍流模型求解水气交混湍流场时包括以下步骤：
[0093]
步骤1：根据所设定的湍流变量k、ε、ω和的初始条件和边界值，通过调用线性求解器迭代求解离散方程，得到水上飞机湍流场的初步结果；
[0094]
其中，湍流变量的初始条件设置为狄利克雷类型(指定边界上的湍流变量值)或诺依曼类型(指定边界上的通量值)；针对离散后得到的线性方程，一般采用迭代法进行加速求解，如高斯-赛德尔法、矩阵(不完全)分解法或者多重网格法，相比线性方程的直接求解方法具有较高效率。在方程求解中，通过设置较大的残差标准(如残差为10^-3)，可以进一
步减少迭代次数，获取初步精度结果。
[0095]
步骤2：以当前水面状态为界限，空气区域为低雷诺数的湍流场，水区域为高雷诺数的湍流场；
[0096]
具体地，为根据水气相分数场α进行判断，即α＝1为水中区域，α＝0为空气区域，0《α《1为水气交界面。
[0097]
步骤3：采用一方程模型对气动力低雷诺数区域湍流场再次迭代求解，得到空气区域的湍流场高精度结果；
[0098]
具体地，在再次迭代求解过程中，针对涡黏系数设置较小的残差标准(如10^-5或10^6),以提高气动力绕流场的求解精度。
[0099]
步骤4：采用两方程湍流模型对水动力高雷诺数区域再次迭代求解，得到水中区域的湍流场高精度结果；
[0100]
具体地，在再次迭代求解过程中，针对k、ω或ε设置较小的残差标准(如10^-5或10^6),以提高水动力为主绕流场的求解精度。
[0101]
步骤5：分别从机翼气动力湍流场和机身水动力湍流场向水气界面进行插值，得到水面交界处的交混湍流场，根据水气交界面是否出现异常耗散来判断数值稳定性，如不满足则返回步骤3，针对不同湍流区域继续进行湍流修正；
[0102]
具体地，水气交界面的异常耗散是指出现水气相分数α方程的不守恒，甚至造成α值出现α《0或α》1的情况，不符合物理定义。
[0103]
步骤6：得到稳定的水气界面后，释放水上飞机的运动自由度，否满足运动平衡条件，如不满足则返回步骤1，调整运动姿态继续计算得到新的初始流场。
[0104]
具体地，运动平衡条件是指力与力矩平衡，即升力与重力平衡、绕重心的y方向力矩平衡。
[0105]
另外，本发明实施例的步骤5所述插值是指采用逆距离加权或最小二乘法插值格式在水、气交界面附近流场中对物理量进行插值。
[0106]
所述求解水面状态初步湍流场过程中应用了重叠网格技术。
[0107]
所述湍流模拟中应用了自适应网格加密技术。
[0108]
综上所述，本发明相对于现有技术的有益效果是：
[0109]
1)本发明将水上飞机湍流场区分为水中高雷诺数湍流场和空气中低雷诺数湍流场，充分利用一方程湍流模型之于气动力计算和二方程湍流模型之于水动力计算的优势，可以改善水气状态湍流场模拟精度低造成的水上飞机动力性能预报不准的问题；
[0110]
2)本发明在湍流模拟中同时存储了一方程和二方程的湍流描述变量，可以根据自由液面变化随时切换不同湍流区域的湍流模型，从而同时得到机身水动力湍流场和机翼气动力湍流场的高精度结果；
[0111]
3)本发明水气界面交混区域中采用了从水中和空中同时插值的湍流场构建方法，建立满足数值稳定性的湍流交界面，实现了水气交混湍流场的高精度模拟。
[0112]
本发明基于现有成熟水动力模拟方法在高傅汝德数流动模拟方面的优势，并集成了气动力模拟方法在低雷诺数湍流模拟的精度，可以有效改善传统单一湍流模拟方法在水上飞机水面状态湍流场模拟精度不高的问题，从而得到考虑水上飞机水气交混状态湍流场特性影响的数值模拟方法。
[0113]
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
[0114]
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
[0115]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0116]
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。
[0117]
计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(ram)，只读存储器(rom)，可擦除可编辑只读存储器(eprom或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(cdrom)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
[0118]
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路
的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(pga)，现场可编程门阵列(fpga)等。
[0119]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0120]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
[0121]
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。