基于LS-DYNA速度边界的数值造波方法

本发明涉及数值造波，尤其涉及一种基于ls-dyna速度边界的数值造波方法。

背景技术：

1、水陆两栖飞机水上起降较陆上起降更为频繁，尤其在海面复杂气象条件下降落时，复杂的水动载荷使得飞机降落时的滑行阻力增大，过载增高，纵摇运动及升沉运动变化剧烈，甚至会引起机身结构的疲劳损伤破坏，对机体及机乘人员造成伤害。在规定的气象水文条件下起飞和降落的能力，即耐波性，是决定水陆两栖飞机性能的重要因素[马增辉]。以相关实验为基础的数值仿真手段是水陆两栖飞机耐波性能研究的发展趋势。其中，对波浪的模拟是进行水陆两栖飞机耐波性数值试验的首要条件，波浪模拟的正确与否将直接影响数值试验结果的正确性和可靠性。

2、中国专利公开号：cn111723532a，公开了一种耦合pom和openfoam的数值造波方法，利用pom模拟出目标区域的粗分辨率波浪模型，再通过多项式拟合方式得到每个网格点上流体速度随高度变化的函数关系式，经过转换后写入openfoam的初始文件，驱动openfoam根据输入数据进行侧边界拟合计算，在计算期间，pom根据时间变化不断更新目标区域的数据并输出相应的函数关系式，openfoam随pom的每次更新即重新计算一次，在指定的循环时间内生成与真实海洋环境相似的水池波浪。本发明提供通过pom与openfoam的耦合计算，实现了大尺度海洋模式和小尺度计算流体力学cfd模式openfoam的耦合，降尺度为更精细的分辨率数据，有助于提高船舶数值水池下虚拟试验的准确度，提高船舶水动力性能评估和预报的精度。由此可见，所述一种耦合pom和openfoam的数值造波方法存在由于时间步长过大导致数值波浪水池建立过程误差量增大进而导致造波消波的稳定性下降的问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种基于ls-dyna速度边界的数值造波方法，用以克服现有技术中由于时间步长过大导致数值波浪水池建立过程误差量增大进而导致造波消波的稳定性下降的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种基于ls-dyna速度边界的数值造波方法，包括：确定数值波浪水池模型的控制方程以对实际环境中的波浪水池进行模拟，并基于所述数值波浪水池模型的控制方程建立有限元模型；按照速度边界输入的造波方式对数值波浪进行建立；在ls-dyna中建立单层环境单元搭配*ale_ambient_hydrostatic关键字以确定远场边界条件以对数值水池进行消波；获取若干次数值波浪建立过程的误差量；基于所述若干次数值波浪建立过程的误差量的方差对时间步长进行确定，或，基于所述若干次数值波浪建立过程的误差量的方差和若干次数值波浪的平均建立时长对造波系统的存储空间的稳定性是否符合要求进行判定；若不符合要求，则对观测点的数量进行确定，或，基于所述若干次数值波浪的平均建立时长和若干次数值波浪建立过程的网格的平均使用率对网格节点的数量进行确定；获取对观测点的数量确定后的数值波浪水池模型生成的波浪波长差异量对观测点的数量进行重新确定；使用重新确定后的观测点的数量将生成的数值波浪水池与目标波浪进行对比以对所述数值波浪水池模型进行更新。

3、进一步地，所述所述数值波浪水池模型的控制方程包括不可压缩流体的非稳态rans方程、连续性方程、体积分数方程以及动量方程。

4、进一步地，所述不可压缩流体的非稳态rans方程的表达式为：

5、

6、

7、其中，ui为时均速度，ui'为脉动速度，ui'u'j为雷诺应力，ρ为压力。

8、进一步地，建立所述有限元模型的步骤包括：

9、将空气域的上表面定义为无反射边界条件；

10、在流体入口段施加速度扰动边界；

11、在流场出口使用环境单元对远场边界条件进行模拟；

12、对出现自由液面的区域进行网格加密。

13、进一步地，建立所述数值波浪水池的步骤包括：

14、将数值波浪水池模型左端边界处定义为周期性流体扰动；

15、将自由液面设置为随时间变化的函数。

16、进一步地，所述随时间变化的函数表达式为：

17、

18、则入口处的速度为：

19、

20、

21、其中，a为振幅，d为水深，k为波数，ω为频率，为初始相位角，u为水平方向速度，w为垂直方向速度。

22、进一步地，确定所述时间步长的步骤包括：

23、将若干次数值波浪建立过程的误差量的方差分别与预设第一方差和预设第二方差进行对比；

24、若所述若干次数值波浪建立过程的误差量的方差大于所述预设第一方差且小于等于所述预设第二方差，判定造波消波过程的稳定性低于允许范围，并对时间步长进行确定；

25、其中，所述时间步长通过所述若干次数值波浪建立过程的误差量的方差与所述预设第一方差的差值确定。

26、进一步地，确定所述观测点的数量的步骤包括：

27、若所述若干次数值波浪建立过程的误差量的方差大于预设第二方差，初步判定造波系统的存储空间不符合要求；

28、并将所述若干次数值波浪的平均建立时长与预设第一时长和预设第二时长进行对比；

29、若所述若干次数值波浪的平均建立时长大于所述预设第一时长且小于等于所述预设第二时长，二次判定造波系统的存储空间不符合要求，并根据所述若干次数值波浪的平均建立时长与预设第一时长的差值对观测点的数量进行确定以输出第一对应数量。

30、进一步地，确定所述网格节点的数量的步骤包括：

31、若所述若干次数值波浪的平均建立时长大于预设第二时长，初步判定网格的划分精准性低于允许范围；

32、并将所述若干次数值波浪建立过程的网格的平均使用率与预设使用率进行对比；

33、若所述若干次数值波浪建立过程的网格的平均使用率小于所述预设使用率，二次判定网格的划分精准性低于允许范围，并根据所述预设使用率与所述若干次数值波浪建立过程的网格的平均使用率的差值对所述网格节点的数量进行确定。

34、进一步地，重新确定所述观测点的数量的步骤包括：

35、将对所述观测点的数量确定后的数值波浪水池模型生成的波浪波长差异量与预设差异量进行对比；

36、若所述数值波浪水池模型生成的波浪波长差异量大于预设差异量，判定观测点对消波结果的干扰程度超出允许范围，并对观测点的数量进行重新确定以输出第二对应数量；

37、其中，所述第二对应数量通过数值波浪水池模型生成的波浪波长差异量与预设差异量的差值重新确定。

38、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明造波方法通过采用速度边界法造波，在入口边界处施加周期性位移载荷曲线，用于生成目标波浪。在造波区水域，以关键字*initial_hydrostatic_ale用于重力作用的静水压力初始化。流场出口设置环境单元用来模拟远场边界条件用来消除波浪的边界反射对有效波浪的干扰，设置*ale_ambient_hydrostatic为对应的关键字，根据若干次数值波浪建立过程的误差量的方差对时间步长进行确定，降低了由于时间步长过大对造波消波稳定性的影响，根据若干次数值波浪的平均建立时长对观测点的数量进行确定，降低了由于观测点的水量过多造成卡顿，对内存供应稳定性的影响，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

39、进一步地，本发明造波方法通过设置所述数值波浪水池模型的控制方程，为了真实的模拟实际环境中物理实验波浪水池的各种功能，在构建的数值波浪水池模型中，将波浪流动作为两相(水和空气)流处理，自由表面为水域与空气域的交界面，并且由于流场中声速与流体流动速度相比较大，因此将水和空气都作为不可压缩流体处理，以便数值波浪水池的控制方程能够有效反映物理水池中流体运动的真实情况，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

40、进一步地，本发明造波方法通过设置建立有限元模型，将波浪流动作为两相流处理，自由表面为水域与空气域的交界面，并且由于流场中声速与流体流动速度相比较大，因此将水和空气都作为不可压缩流体处理，以便数值波浪水池的控制方程能够有效反映物理水池中流体运动的真实情况，降低了由于反映物理水池中流体运动的真实情况的不准确对造波方法的影响，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

41、进一步地，本发明造波方法通过设置速度边界输入式造波建立数值波浪水池，通过在造波边界处输入速度函数得到相应数值波，其速度边界无需考虑造波板和流体的流固耦合作用，故不存在动网格的收敛性问题，也不存在浸没式流固耦合相互作用的渗漏问题。并且初始阶段造波效果良好，在较短时间内就可以获得稳定的目标波浪，对造波区长度要求较小，拥有良好的造波能力，同时具有更高的计算效率，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

42、进一步地，本发明造波方法通过在远扬边界处添加关键字*ale_ambient_hydrostatic，减少了网格、节点数量，通过对规则波的模拟实验与对数值波浪水池的对比分析，验证了该数值水池的造波性能，提高了线性规则波传播稳定性，通过在左端远扬边界处的波形误差分析，降低了消除波浪的数值反射和随时间产生的衰减，在波高所在区域进行网格加密划分，在水池内部采用稀疏网格划分，并使用大网格对宽度进行划分提高了造波的质量，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

43、进一步地，本发明造波方法通过设置预设第一方差和预设第二方差，通过若干次数值波浪建立过程的误差量的方差对时间步长进行确定，降低了由于时间步长过大造成模拟误差量增大进而导致对造波消波过程的稳定性的影响，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

44、进一步地，本发明造波方法通过设置预设第一时长和预设第二时长，通过若干次数值波浪的平均建立时长对观测点的数量进行确定，降低了由于观测点的数量过多造成数值波浪水池建立过程出现卡顿，进而导致对存储空间的稳定性的影响，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

45、进一步地，本发明造波方法通过设置预设使用率，通过干次数值波浪水池建立过程的网络的实际使用率对网格节点的数量进行确定，降低了由于网格节点过多导致网格使用率减低，造成浪费，进而导致网格的划分精准性下降的问题，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。

46、进一步地，本发明造波方法通过设置预设差异量，通过数值波浪水池模型生成的波浪波长差异量对观测点的数量进行重新确定，降低了由于观测点的数量过大，导致观测结果出现偏差，进而导致观测有效性下降，进一步实现了提高造波消波过程的稳定性。