基于四面体动网格的1:6扁球体自主运动的大涡模拟研究
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摘要
建立了基于四元数和四面体动网格的水下潜体六自由度运动数值模型。刚体空间六自由度运动可以分解为随刚体上某点的线性平移和绕此点的非线性转动,平移用动量定理(牛顿定律)建立力和线速度的关系,转动用动量矩定理(欧拉方程)建立力矩和角速度的关系。引入四元数的目的是避免出现奇点,其过程是通过求解四元数与角速度之间的一阶线性微分方程,确定四元数,然后,建立用四元数表示的有限转动张量。平动和转动模拟验证了六自由度模型的准确性。水下流体对扁球体的作用力考虑了压力和粘性力。流体方程和六自由度模型的耦合采用显式耦合方法。四面体网格因其连接关系的简单性成为动网格技术的不二之选。选择正确的网格处理方法是很重要的。流固耦合(流结构的相互作用)问题不仅仅是流体和固体的相互作用问题,而是一个流体、网格和固体三个要素之间的耦合。四面体动网格的网格划分和网格优化采用Delaunay算法,与浸没边界法和插值法相比,这种拓扑结构实时变化的网格结构因为边界获取准确,所以精度更高。扁球体的自主运动研究采用被动动网格,即流场压力造成边界运动,与主动动网格相比,边界运动规律不知道,需要计算边界上的力或者力矩来确定,网格变化规律难以预见。湍流模型采用IDDES大涡模拟模型,对于Re=1×10~6下的1:6扁球体的自主运动流体力学模拟研究表明,流体作用于固体表面的涡(thevortex shedding)的作用,固体表面压力的分布是变化的。尾涡的变化让压力的分布依赖于时间,随着这种涡的产生发展,压力的分布也随之变化,最终导致固体表面压力分布的周期性变化。
引文