基于动网格技术的变域情况数值模拟方法研究

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1、基于动网格技术的变域情况数值模拟方法研究　　摘要：本文以数值模拟计算为主要研究手段，基于三维、非稳态、粘性流的雷诺平均Navier-Storkes方程及k-ε两方程模型，利用包含动网格技术的计算流体力学方法，运用CFD计算软件FLUENT，对水下航行体变水域流体动力学问题进行了数值模拟研究，通过对计算数据的分析对基于动网格技术的变域情况数值模拟方法进行了初步的研究。　　关键词：水下航行体；变水域；数值模拟计算　　0引言　　本文拟通过潜艇以相同的速度由无限水域进入不同阻塞比的有限水域和以不同的速度进

2、入同一阻塞比的有限水域两种方法来分析在不同参数影响下潜艇进入变水域的阻力性能的规律（阻塞比β=潜艇面积/隧道面积）。通过几组参数计算结果的对比，揭示水下航行体进入变水域阻力性能与速度和阻塞比的关系，并通过此关系验证动网格技术对变域情况数值模拟的有效性，可作为后续导弹出筒等相似计算的方法依据。　　1基本理论与数值方法　　1.1雷诺时均纳维叶-斯托克斯方程　　雷诺时均纳维叶-斯托克斯方程和雷诺时均连续性方程：　　―湍流动能生成项。其中的一些常数值如表1。　　2计算结果与分析　　2.1动网格模型4　　动

3、网格区域与主体部分建模是分离的两个部分，而它们之间的数据交换是通过在动网格的外表面区域与主体部分与动网格交界内部区域之间完成的。　　2.2计算结果分析　　经过数值模拟计算，可得到如图1数据。　　从图1计算数据分析可以得出，潜艇表面压力在前体与后体变化比较剧烈，潜艇头部尖点处压力达到最大值，在前体与平行中体和后体与平行中体交接处变化最大，平行中体上压力值基本保持不变。在潜艇进入受限域的过程中，压力差值逐渐变大，在潜艇完全进入受限域也就是20s后压力差达到最大值并保持稳定。因此，后续计算数据主要以潜艇

4、完全进入受限域后气动性能数据为主。　　2.3阻塞比的影响　　阻塞比为潜艇横截面积与受限域横截面积的比值。当潜艇横截面积一定的时候，受限域横截面积越大，阻塞比越小。阻塞比对潜艇通过受限域时的水动力效应有很大的影响。为研究阻塞比影响，分别对阻塞比为0.08、0.12和0.2的数值模型进行了模拟计算，计算结果如图2。　　在受限域内，随着阻塞比的增大，受限域内的压力值也增大。潜艇表面所受的压力也随之减小，在前体与后体不是很明显，在平行中体上受到阻塞比的影响4相对较明显。在潜艇头部到达受限域至潜艇完全进入受

5、限域的时候，随着阻塞比的增大，压力也增大。但是在潜艇完全进入受限域后情况却正好相反，阻塞比大的受限域潜艇表面最大压力值反而更小。随着阻塞比的增大，在进入受限域时潜艇阻力变化值也增大，完全进入受限域后，阻塞比对潜艇阻力的影响很小。　　2.4速度的影响　　速度增大也会增大潜艇表面压力差值，压差值的增大会在潜艇表面产生比较大的扭矩，这对潜艇的结构安全性有很大的威胁。为研究速度对潜艇压力的影响，分别对速度为10m/s、15m/s和20m/s的潜艇进入受限域进行了数值模拟，得到结果如3所示。　　潜艇速度对潜

6、艇所受的压力最大值的影响特别大。随着潜艇的速度的增大，潜艇所受压力最大值的值也随之明显增大，并且潜艇受到的压力最大值的改变幅度也随之增大。也就是说，随着潜艇速度的增大，潜艇在受力最大值点的压力差值也随之增大。潜艇的速度值越大，潜艇在无限域中受到的阻力越大，在进入受限域过程中阻力差的值也越大。　　3结论　　本文基于无粘、不可压缩流紊态流场的雷诺时均方程和k-？两方程紊流模型模拟了潜艇通过变水域时的水动力性能，建立了潜艇-变水域水动问题数值计算模型，应用有限体积法进行求解。对水下航行体在动网格计算法下

7、得出的水动力性能进行了分析，得出了以下结论。　　（1）利用CFD软件FLUENT建立了潜艇通过变水域的水动力学模型，并通过计算分析得出了潜艇由无限域进入受限域的水动力性能。　　（2）随着阻塞比的增大，受限域内压力值也随之增大，但是潜艇表面压力值却是随之减小，在平行中体最明显；潜艇表面最大压力值的压力差值也增大，潜艇在进入受限域过程中总阻力值的最大值与阻力差值也随之增大，但是在无限域中和完全进入受限域后的总阻力值变化很小。4　　（3）随着速度的增大，受限域内测点压力值也随之增大。潜艇表面压力分布则是

8、在前体与后体随速度的增大而增大，平行中体随速度的增大而减小。潜艇表面最大压力值随速度增大而增大，在无限域与完全进入受限域后的潜艇总阻力值明显增大。　　（4）通过对阻塞比和速度规律的分析可以看出，动网格技术应用于变域情况的数值模拟计算结果可靠，方法可行，可以作为后续相似计算方法。4