复杂壁面附近气泡溃灭峰值压力的数值预报方法及系统

本发明涉及计算流体力学，具体地，涉及一种复杂壁面附近气泡溃灭峰值压力的数值预报方法及系统。

背景技术：

1、随着航运技术不断革新，现代船舶已逐渐往高速化方向发展，存在大量空化流动影响推进效率的问题。尤其是空泡云溃灭造成的空蚀，会严重破坏包括螺旋桨、舵面、泵叶轮等拥有复杂几何形状、处于高速流动区域的流体机械。为了更好地避免空化现象的危害，需要对复杂几何壁面附近空泡云的产生、发展及溃灭机理进行深入分析。在实际问题中空泡云和复杂壁面同时存在，直接数值模拟的难度较大，对数值耗散控制水平、计算稳定性、计算效率以及复杂边界适应能力提出了很高的要求。

2、现有的压力基计算方法中，空化产生的相变效应通过质量输运模型在体积组分输运方程中以源项的形式体现，相变率通常由rayleigh-plesset(r-p)方程估算。由于该模型无法准确考虑空化发生时水的可压缩性，模型化带来的误差较大，而气泡溃灭时水的可压缩性引起的激波是不可忽视的。

3、已有的复杂物面处理方法主要有三类：非结构化网格方法、曲线网格坐标变换方法和直角网格浸入边界法。其中非结构化网格生成快速简便，对复杂边界的适应能力较好，但基于非结构网格构造高阶格式计算量普遍较大，不利于三维实际问题的高精度模拟。另外，考虑坐标变换的曲线网格坐标变换方法实现较为复杂，其坐标变换条件并非针对任意复杂的网格拓扑都成立。

4、在公开号为cn1401986a的中国专利文献中，公开了一种水力机械空化空蚀破坏的在线监测方法及诊断装置,该方法及装置通过测试流体机械的空化系数、流道中的压力脉动、流体机械的能量特性、工作水头以及空化冲击振动信号以及计算流体机械中金属失重量的大小,可以达到全面监测流体机械中的空化空蚀现象,控制运行状况以及发展的程度,并分析诊断空化空蚀发生的强度以及对流体机械本身造成的破坏。但该专利文献仅对设备提出了检修的时间计划，仍然无法解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种复杂壁面附近气泡溃灭峰值压力的数值预报方法及系统。

2、根据本发明提供的一种复杂壁面附近气泡溃灭峰值压力的数值预报方法，包括：

3、步骤s1：基于物面所处位置建立直角计算网格；

4、步骤s2：初始化计算参数；所述计算参数包括流场数据、物面数据和单元类型；

5、步骤s3：基于直角计算网格和计算参数进行计算；

6、步骤s4：判断是否结束计算，若是，则输出计算结果，否则执行步骤s2-s3。

7、优选的，所述流场数据包括速度场、压力场、密度场和相分数场；计算开始前给定空间三角形构成的物面网格；所述物面在实际计算时由符号距离函数场隐式表达；所述单元类型包括流体单元、固体单元和虚拟物面单元。

8、优选的，所述步骤s2包括以下子步骤：

9、步骤s2.1：根据物面三角形网格判断单元类型；取两个射线投影平面，判断该平面所有竖直方向的网格线与物面网格是否相交，若相交，则标记为界面单元并在计算网格记录相交物面单元编号；所有网格线标记完成后，将剩余区域标记为固体单元；

10、步骤s2.2：计算标记为界面单元的中心点到物面最短距离；根据相交物面单元编号，计算该三角形单元到中心点最短距离；

11、步骤s2.3：根据计算条件初始化流场参数；所述流场参数包括压力、速度、密度和相分数。

12、优选的，所述步骤s3包括以下子步骤：

13、步骤s3.1：单时间步流场求解；求解目标方程组为热力学一致五方程模型；

14、步骤s3.2：虚拟网格单元边界条件重构；分别构造物面内部流体单元一定范围内的虚拟单元点与物面投影点、镜像点的线性关系，并施加边界条件；所述边界条件包括标量的dirichlet和neumann型边界条件、速度矢量的无滑移条件和反射边界条件。

15、优选的，所述步骤s3.1包括以下子步骤：

16、步骤s3.1.1：网格面通量计算；采用波动传播算法，在网格边界和网格内部同时构造黎曼间断，通过黎曼近似求解器，确定出所有向网格内部传播的波动，估算出对流项；

17、步骤s3.1.2：界面压缩项计算；在目标方程组右端增加经过热力学修正的界面压缩项，具体为：

18、[-ρ1κ(c1) ρ2κ(c2) (ρ2-ρ1)uκ(c2) 0 κ(c2)]；

19、其中，κ(·)为压缩项，为梯度算子，为作用在x上的梯度场；λ0＝(1-c2)c2|u|；ρ1、ρ2为两个不同的密度场；c1、c2为两个不同的相分数场；u为速度场；

20、步骤s3.1.3：显式时间推进；采用三阶龙格库塔保单调格式进行时间积分求解。

21、优选的，所述步骤s3.2还包括标量dirichlet边界条件、标量neumann边界条件和速度矢量反射边界条件。

22、根据本发明提供的一种复杂壁面附近气泡溃灭峰值压力的数值预报系统，包括：

23、模块m1：基于物面所处位置建立直角计算网格；

24、模块m2：初始化计算参数；所述计算参数包括流场数据、物面数据和单元类型；

25、模块m3：基于直角计算网格和计算参数进行计算；

26、模块m4：判断是否结束计算，若是，则输出计算结果，否则执行模块m2-m3。

27、优选的，所述流场数据包括速度场、压力场、密度场和相分数场；计算开始前给定空间三角形构成的物面网格；所述物面在实际计算时由符号距离函数场隐式表达；所述单元类型包括流体单元、固体单元和虚拟物面单元。

28、优选的，所述模块m2包括以下子模块：

29、模块m2.1：根据物面三角形网格判断单元类型；取两个射线投影平面，判断该平面所有竖直方向的网格线与物面网格是否相交，若相交，则标记为界面单元并在计算网格记录相交物面单元编号；所有网格线标记完成后，将剩余区域标记为固体单元；

30、模块m2.2：计算标记为界面单元的中心点到物面最短距离；根据相交物面单元编号，计算该三角形单元到中心点最短距离；

31、模块m2.3：根据计算条件初始化流场参数；所述流场参数包括压力、速度、密度和相分数。

32、优选的，所述模块m3包括以下子模块：

33、模块m3.1：单时间步流场求解；求解目标方程组为热力学一致五方程模型；

34、模块m3.2：虚拟网格单元边界条件重构；分别构造物面内部流体单元一定范围内的虚拟单元点与物面投影点、镜像点的线性关系，并施加边界条件；所述边界条件包括标量的dirichlet和neumann型边界条件、速度矢量的无滑移条件和反射边界条件。

35、优选的，所述模块m3.1包括以下子模块：

36、模块m3.1.1：网格面通量计算；采用波动传播算法，在网格边界和网格内部同时构造黎曼间断，通过黎曼近似求解器，确定出所有向网格内部传播的波动，估算出对流项；

37、模块m3.1.2：界面压缩项计算；在目标方程组右端增加经过热力学修正的界面压缩项，具体为：

38、[-ρ1κ(c1) ρ2κ(c2) (ρ2-ρ1)uκ(c2) 0 κ(c2)]；

39、其中，κ(·)为压缩项，为梯度算子，为作用在x上的梯度场；λ0＝(1-c2)c2|u|；ρ1、ρ2为两个不同的密度场；c1、c2为两个不同的相分数场；u为速度场；

40、模块m3.1.3：显式时间推进；采用三阶龙格库塔保单调格式进行时间积分求解。

41、优选的，所述模块m3.2还包括标量dirichlet边界条件、标量neumann边界条件和速度矢量反射边界条件。

42、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

43、1、本发明采用基于虚拟单元方法的直角网格结合界面压缩方法求解可压缩多相流控制方程；该方法不涉及耗时费力的结构化、非结构化网格生成，只需在初始计算时刻根据物面网格生成符号距离函数场，实现物面隐式表达，大幅提升了涉及复杂结构物的可压缩多相流数值模拟效率。

44、2、本发明所提出的虚拟单元法可在无需解析壁面边界的情况下准确模拟标量(或矢量)场的neumann和dirichlet边界条件、速度场滑移(或无滑移)边界条件、反射边界条件等，具有较好的实用性。

45、3、本发明提出的判断单元类型的射线投影法，避免了远离物面的单元类型判断误差较大的问题，提高了精确度。

46、本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。