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申请/专利权人：北京理工大学

摘要：本发明公开的基于数值流场和导数矩定理的二维空化两相流水动力重构方法，属于船舶工业和流体机械技术领域。本发明实现方法为：应用导数矩变换理论，将空化流场中运动物体受到的水动力重构为基于流场局部动力学变量的非定常水动力表达式，将流场非定常旋涡演化行为与宏观水动力结合。重构水动力公式能分析不同局部空间涡系的发展与演化对水动力贡献的影响方式及定量大小。二维空化水动力重构公式建立从流场获得水动力的通道，通过计算流体动力学CFD方法获得流场数据，计算出流动控制体内的数据作为水动力重构的输入数据，实现流场流动结构与非定常水动力之间的定量关联，并解析特征流动结构区间的水动力贡献，优化水翼结构，提高水翼升力、稳定性。

主权项：1.基于数值流场和导数矩定理的空化两相流水动力重构方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1：利用计算流体动力学CFD方法获得空化流场速度、涡量及压力信息；步骤1.1，流场计算域建立：将水翼翼型数据导入ICEM，建立二维计算域，包括计算内域和计算外域；步骤1.2，计算域网格划分：对步骤1.1建立的流场计算域进行网格划分，在翼型表面划分预设足够精细的边界层网格；步骤1.3，数值模型建立：将最终网格文件导入到CFX软件，进行计算工质设定；选择相应的多相流模型、非定常雷诺平均模型、空化模型，实现空化两相流动Navier-Stokes方程的封闭，同时设置方程离散格式；步骤1.4，计算精度设置：设置质量守恒方程及动量方程、k方程与ω方程的收敛残差标准；步骤1.5，基于步骤1.1至步骤1.4的设置开展绕水翼数值计算过程，计算结束后对结果进行处理，将数值计算结果与实验结果进行对比，验证数值预报方法的准确性；步骤2：通过CFD-POST后处理平台进行数据提取，实现基于流场特征流动形态的矩形控制子域划分与数据采样；步骤2.1，控制域划分：根据涡量的演化特征及区域分布特性，将控制域划分为涵盖水翼附近流域的多个矩形子域；步骤2.2，进行控制子域数据采样：获得控制子域内部及边界处的流动数据；步骤3：通过导数矩定理和矢量运算法则，建立基于流场局部动力学变量的水动力表达式，并通过CEL语言进行函数编写；步骤3.1，根据静力学定理，获得基于水翼表面积分形式的水翼合力表达式： 其中，F为水翼合力，为水翼表面，t为表面应力，包括压力p和剪切应力τ，n为从水翼表面指向流场的单位法向量；步骤3.2，根据动量守恒定律，获得基于控制域内动量变化的水翼合力表达式： 位于流场中的控制域外边界记作Σ，流体域Vf即为运动物体表面和控制域外边界包围的双连通流场区域，流体域边界记作步骤3.3，根据Helmholtz分解定理，流场中任何连续可导的矢量场都能够分解为无旋场、无散场和调和场之和，实现流体质点的加速度分解： 步骤3.4，根据步骤3.2所获得的合力及步骤3.3所获得的加速度分解式，通过导数矩变换，获得与有限域内涡量冲量变化相关的非定常力FI，局部空化区域多相密度非线性扩展效应导致的的非定常力Fcav，以及与水翼表面运动加速度相关的作用力FB；通过将原被积函数转化为其导数的矩的数学变换，所述导数矩恒等式如式6所示；令V为任意体积，f为定义在V和上的光滑的矢量函数，x是坐标矢量，n为空间维数n＝2,3； 得到F＝FI+FL+Fcav+FΣ+FB+Fvis7 式中，F为作用在水翼上的合力，FI为涡量冲量变化项分力，被积函数中的x是位置矢量，ρm是控制域内气液两相流场的加权平均密度，u是流体速度矢量；FB表示与水翼表面运动加速度相关的作用力，其中a为水翼表面拉格朗日点的加速度；Fcav表征局部空化区域多相密度非线性扩展效应导致的非定常分力；步骤3.5，根据步骤3.4所获得的合力表达式，通过导数矩变换，进一步获得由涡量剪切对流过程导致的非定常水动力FL，Lamb矢量或涡量逸出控制域导致的水动力FΣ，以及与流场中控制域外边界处的黏性效应相关的作用力Fvis；所述导数据恒等式如下，区间C是以a、b为端点的开平面曲线时，满足如下积分变换： 得到：FL＝-∫Vfρmω×udS12 式中，FL表征由涡量剪切对流过程导致的非定常水动力，ω是流体涡量矢量，ω×u是经典的Lamb矢量；FΣ反映Lamb矢量或涡量逸出控制域导致的水动力，为涡量逸出项，n为控制域边界上从流场指向水翼表面的单位法向量；Fvis表征流场中控制域外边界处的黏性效应；步骤4：通过将步骤2中不同控制子域的采样数据代入步骤3中各项分力CEL表达式，获得不同物理机制对水动力的影响及不同区间内流场对物体水动力的贡献。

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