一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115758569A(43)申请公布日2023.03.07(21)申请号202211372795.XG06F119/14(2020.01)(22)申请日2022.11.01(71)申请人华南理工大学地址510640广东省广州市天河区五山路381号(72)发明人焦甲龙陈振威许国冬容亮湾(74)专利代理机构广州市华学知识产权代理有限公司44245专利代理师杜柱东(51)Int.Cl.G06F30/15(2020.01)G06F30/23(2020.01)G06F30/28(2020.01)G06F111/10(2020.01)G06F113/08(2020.01)权利要求书2页说明书7页附图8页(54)发明名称一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法(57)摘要本发明公开了一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，包括以下步骤：S1、在FEM求解器中建立航行器的结构模型，有限元网络划分，航行器结构各项属性定义；S2、在CFD求解器中建立数值水池模型，设置水池边界条件，选择物理模型，对水池流体域进行网格划分并设置网格变形方式；S3、设置CFD–FEM流固耦合的数据传递方法，设置联合模拟方法；S4、流固耦合程序运行求解及数据导出。本发明方法将航行器结构、空化气泡、水和空气流体的相互作用综合考虑，充分考虑各类流固耦合问题，能够更精确地模拟高速航行器入水过程中的运动和受力情况。CN115758569ACN115758569A权利要求书1/2页1.一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在FEM求解器中建立航行器的结构模型，有限元网络划分，航行器结构各项属性定义；S2、在CFD求解器中建立数值水池模型，设置水池边界条件，选择物理模型，对水池流体域进行网格划分并设置网格变形方式；S3、设置CFD–FEM流固耦合的数据传递方法，设置联合模拟方法；S4、流固耦合程序运行求解及数据导出。2.根据权利要求1所述的一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，CFD求解器采用STAR‑CCM+软件，FEM求解器采用Abaqus软件；采用STAR‑CCM+软件中的Simulia引擎建立CFD求解器和FEM求解器的耦合平台。3.根据权利要求1所述的一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，步骤S1具体为：在FEM求解器中建立航行器结构的三维有限元模型；航行器结构有限元网格划分；航行器结构材料属性定义，定义航行器结构单元的壁厚、密度、弹性模量、泊松比以及结构阻尼；施加约束和载荷，结合航行器运动自由度对有限元网格节点施加位移约束，根据网格所受载荷类型施加相应载荷。4.根据权利要求1所述的一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，步骤S2具体为：建立水池流体域，水池流体域为长方体空间域，由4个侧壁面、底面以及顶面围成；建立航行器外壳的几何模型，设置航行器的几何参数及其在水池流体域中的初始位置；在多相流欧拉相中定义液态水、水蒸气和空气三部分，在液态水与水蒸气两相之间建立主相为液态水、次相为水蒸气的相间相互作用；选择物理模型，包括多相流模型、湍流模型和空化模型；多相流模型具体采用流体域体积模型VOF，湍流模型采用k‑ε湍流模型，空化模型采用完整Rayleigh‑Plesset模型；对流体域进行网格划分，并在航行器头部、空化产生区域及自由面附近进行网格加密；设置网格变形方式，分别采用重叠网格和变形网格技术模拟航行器的运动和结构变形，实现网格的混合变形；设置边界条件，水池流体域的4个侧壁面和底面采用无滑移壁面，顶面采用压力出口，航行器物面采用无滑移壁面；设置初始条件，水池模型内部设置静水初始条件，对压力出口边界设置物理值条件；设置求解器，包括分离流求解器、分离VOF求解器和k‑ε湍流求解器。5.根据权利要求4所述的一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，对流体域进行网格划分中具体为：采用六面体非结构化网格对计算域进行网格划分，采用重叠网格方案，计算域包括背景区域和重叠区域两部分。2CN115758569A权利要求书2/2页6.根据权利要求4所述的一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，在分离流求解器与k‑ε湍流求解器中，可根据入水情况，更改求解时的亚松驰因子、AMG线性求解器的循环类型的设置；在分离VOF求解器中，可将求解策略改为隐式多步。7.根据权利要求2所述的一种航行器高速入水砰击与空化现象的流固耦合模拟方法，其特征在于，步骤S3具体为：在CFD求解器中，建立具备协同仿真功能的物理模型，选择外部求解器Abaqus；建立两个物理连续体