一种基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法

技术领域

本发明涉及的技术领域，尤其涉及一种基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法。

背景技术

舰载机进场着舰过程中，航母以一定的航速逆风行驶，会在舰尾形成复杂的扰流区。研究航母尾流场结构及其随外界因素的变化规律，对舰载机降落的准确性和安全性具有十分重要的意义。

依靠实船直接测量和风洞试验的舰船尾流研究不但花费巨大，而且无法得到风场的精细结构。因此，随着计算机软硬件水平的提高，计算流体动力学(CFD)技术在舰船风场模拟方面得到越来越多的应用。研究结果表明，CFD模拟不但成本低，而且可以进行全尺寸舰船的模拟，与风洞实验的比较也验证了其可靠性，目前已成为研究舰船风场的重要手段。

由于尾流风场对舰船外形的依赖性很强，因此模拟时采用的舰船模型越接近真实舰船，模拟结果就越接近真实风场。但是，当数值模拟采用贴体网格时，舰船的复杂外形导致网格生成难度非常大，往往需要对舰船模型进行大量简化，从而导致模拟结果在一定程度上的失真。LBM(Lattice Boltzmann Method)是近年来出现并迅速发展的一种新的数值方法，由于它具有天然的并行性、适于处理复杂几何边界问题、计算效率和精度较高的特点，已在越来越多的领域得到应用，也为舰船尾流风场模拟提供了一种新的数值工具。

LBM是在介观尺度上求解Navier-Stokes方程，可以对湍流进行直接模拟，但以目前的计算条件只能模拟中低雷诺数流动，无法满足工程需要，并且现有的有网格计算方法，由于桅杆、雷达天线等细长体的存在，网格难以刻画，在航母模型建模的过程中，必须对航母进行简化，简化后的航母模型在计算结果上存在一定的误差。本发明基于无网格方法的航母尾流数值模拟方法，可以精细刻画航母模型，无需简化，从而确保了计算的精度和效率。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述现有技术存在的航母模型建模困难、计算精度和计算效率难以保证等问题，提出了本发明。

因此，本发明目的是提供一种基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法，其基于未做任何简化的三维航母模型，采用LBM(Lattice Boltzmann Method)与LES(Large EddySimulation)相结合的数值方法LBM-LES，模拟了不同风速和风向角下航母的尾流风场，并分析了舰载机理想着舰轨迹上的风场特征。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：此种基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法方法包括：

选取三维航母模型确定舰载机理想着舰轨迹；

设定计算区域、入流风速U

利用LBM-LES方法进行模拟，在风向角Φ相同条件下，分别模拟不同入流风速U

作为本发明所述基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法的一种优选方案，其中：在计算区域中建立基础坐标系，其中Y轴正向为航母甲板垂直上方，X轴正向为出流边界条件，即风从舰艏吹向舰艉，X轴负向为入流边界条件，Y向和Z向均取为滑移边界条件。

作为本发明所述基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法的一种优选方案，其中：在模拟不同风向角Φ的情形时，入流风向保持与X轴平行。

作为本发明所述基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法的一种优选方案，其中：所述尾流风场包括着舰轨迹上的时均风场，时均化处理时采用的时间区间Δt满足：

即在Δt区间内风吹过3倍的船体长度，L为航母长度。

本发明的有益效果：本发明采用LBM-LES方法结合无网格法进行航母风场数值模拟时，航母模型无需任何简化，从而能够模拟出航母上各种构筑物对风场的影响，使得模拟结果更加接近真实风场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明中航母模型与舰载机理想着舰轨迹示意图。

图2为U

图3为U

图4为U

图5为Φ＝0°时不同U

图6为U

图7为Φ＝0°时不同U

图8为Φ＝0°时不同U

图9为Φ＝0°时不同U

图10为U

图11为U

图12为U

图13为U

图14为U

图15为U

图16为U

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

参照图1至图16，为本发明的实施例，提供了一种基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法，此种基于LBM-LES的航母尾流数值模拟方法通过CFD进行模拟，具体包括：

(1)选取三维航母模型确定舰载机理想着舰轨迹；

本发明中，航母模型选取的是俄罗斯的基辅级航母“巴库号”，航母全长273米，宽52米，斜角甲板中线与航母艏艉中线的夹角为10°。航母甲板上一般布置4根拦阻索，第1根位于距舰尾50m左右，其余3根从舰尾到舰首方向每间隔12m设1根。理想着舰时舰载机以沿斜角甲板方向并与水平面成4°的夹角飞行，理想着舰点位于第2根和第3根拦阻索的中心位置。

为了模拟出精确的尾流风场，本发明的三维航母模型考虑了大量甲板上方的附属设施，模拟采用三维航母模型以及舰载机理想着舰轨迹如图1所示。

(2)设定计算区域、入流风速U

根据选取的航母模型，设定计算区域为2000m×300m×1000m，在计算区域中建立基础坐标系，Y轴正向为甲板垂直上方，航母几何中心距入口700m。格点配置最小分辨率5m，最大分辨率0.3125m，航母附近始终保持最高分辨率，尾流区域根据相对涡量ω

(3)利用LBM-LES方法在CFD中进行模拟，在风向角Φ相同条件下，分别模拟不同入流风速U

为了更准确反映出入流风速U

对于不同风速相同风向角：

为了了解入流风速U

图5给出了无量纲时间t

图6给出了U

由于着舰轨迹上的瞬时风场缺乏规律性，因此为了深入了解着舰轨迹上风场的分布规律，我们计算了着舰轨迹上的时均风场。时均化处理时采用的时间区间Δt满足：

即在Δt区间内风大约吹过3倍的船体长度。

图7至图9给出了风向角Φ＝0°时，不同U

从图7至图9中还可以看到着舰轨迹上航母尾流风场的影响主要集中在x＜300m的区域内。这是由于当x＞300m时，不仅尾涡的强度大幅减弱，而且着舰轨迹的高度已基本超出了尾流的影响范围(如图10所示)。

图7给出了着舰轨迹上相对时均水平风速

图8给出了着舰轨迹上相对时均垂直风速

图9给出了着舰轨迹上相对时均侧向风速

对于相同风速不同风向角：

舰载机着舰时航母通常处于迎风航行状态，但由于海面风向复杂多变，航母不可能一直处于顶风航行状态，因此模拟不同风向角下甲板后方气流场的特征，对于舰载机在甲板上安全起降非常必要。我们分别模拟了U

图14至图16给出了不同风向角下理想着舰轨迹上的相对时均风速分布，从图中也可以看到，当左舷风Φ＝-10°时，着舰轨迹上受尾流风场影响的范围最大。图14、图16分别给出了不同风向角下着舰轨迹上相对时均水平风速

图15给出了不同风向角下着舰轨迹上相对时均垂直风速

本发明采用LBM-LES方法模拟了不同风速和风向角下航母的尾流风场，分析了舰载机理想着舰轨迹上时均风场的分布特征，能够得出如下结论：

(1)LBM-LES方法结合无网格法进行航母风场数值模拟时，航母模型无需任何简化，从而能够模拟出航母上各种构筑物对风场的影响，使得模拟结果更加接近真实风场；

(2)正迎风条件下，当入流风速不同时，无量纲时均风速沿着舰轨迹具有相近的分布规律和大小，建立着舰轨迹上相对平均风速的尾流风场数学模型是可行的，并且垂向分量呈典型的“雄鸡尾”式分布，下沉气流峰值约为入流速度的10％左右；

(3)相同入流速度不同风向角条件下，左舷风时着舰轨迹上受尾流影响范围明显大于右舷风，但着舰前最后100m范围内的水平风速和侧向风速变化比右舷风弱；左舷风时着舰轨迹上的垂直速度以下沉为主，右舷风时既有下沉气流又有上升气流，但以上升气流为主。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。