(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211343691.6 (22)申请日 2022.10.31 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210007 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 陈吉昌　童明波　肖天航　李乐　 张恒珲　卢志伟　 (74)专利代理 机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 专利代理师 卢华强 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 113/08(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入 口数值造波方法 (57)摘要 本发明属于航空航天技术领域， 具体的说， 是一种用于飞行器波浪情况水动力分析的速度 入口数值造波方法， 具体包括以下步骤： 步骤一、 推导规则波和不规则波的波面和质点速度运动 方程； 步骤 二、 确定C FD流场域大小， 分为空气域、 水域和消波域； 步骤三、 流场域CFD网格划分， 速 度、 压力和密度初始化； 步骤四、 消波区施加消波 函数； 步骤五、 设置流场的速度入口边界条件和 其余边界条件； 步骤六、 设置CFD计算的相关函 数； 步骤七、 监控关注点位置的波面时历曲线， 并 与理论值比较。 本发明具有计算高效、 数值模拟 准确和适用性强等优点， 可以用于飞行器波浪情 况起飞、 降落、 滑行和漂浮等各类工况的水动力 预测。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115525978 A 2022.12.27 CN 115525978 A 1.一种用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： 步骤一、 推导 规则波和不 规则波的波面和质点速度运动方程； 步骤二、 确定 CFD流场域大小， 划分区域； 步骤三、 流场域CFD网格划分， 速度、 压力和密度初始化； 步骤四、 消波区施加 消波函数； 步骤五、 设置流场的速度入口边界条件和其 余边界条件； 步骤六、 设置 CFD计算的相关函数； 步骤七、 监控关注点 位置的波面时历曲线， 并与理论 值比较。 2.根据权利要求1所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 步骤一中， 基于Airy微幅波理论， 推导 规则波的速度势函数， 其表达式为： 式中， t为时刻， x和z为空间坐标， g为重力加速度， A为波幅， d为静水深， k为波数， ω为 圆频率， 单位 为rad/s， cosh为双曲余弦函数。 3.根据权利要求2所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 步骤一中， 对函数(1)分别进行x和 z方向的偏微分， 得到质点的水平和垂向速 度表达式， 具体为： 水平速度： 垂向速度： 给定规则波的波面 运动方程， 具体为： η(x,t)＝Acos(kx ‑ωt)(4) 基于线性叠加波浪模型， 得到单向不规则波的波面和速度运动方程， 单向不规则波的 波面方程公式为： 式(5)中， 下标i为第i个子波， 其对应的波浪参数分别为第i个子波的波浪参数， M为叠 加的规则波子波的总个数， εi为第i个子波的初相位。 4.根据权利要求3所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 步骤二根据需要模拟的波浪参数 的大小和飞行器的尺度， 设置大小合理的流 场域， 将流场域分为 三个区： 水域、 空气域和 消波区。 5.根据权利要求4所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 步骤三对流场域进行网格划分， 其加密网格尺寸的标准 为： 式中， Δx,Δy,Δ z表示加密网格在x、 y和z三个方向的尺寸。 6.根据权利要求5所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115525978 A 2其特征在于， 所述步骤四中， 在消波区设置源项消波函数， 用于消除数值模拟的流场域出口 导致的回波， 消波函数的公式为： 式中， S为消波源项 函数， ρi和vi分别为编号i网格的流体密度和速度， xs和xe分别为消波 区最前段和最后端截面的x坐标， γ为无量纲消波系数， 取值为γ＝πω， b为渐变因子， 用来 控制消波区不同位置处的消波效果， 公式为： 将消波源项函数添加到CFD控制方程的动量方程中， 从而实现消除流场 域出口的回波， 保证数值造波的稳定计算和波浪精度。 7.根据权利要求6所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 步骤五中， 设置CFD数值模拟流场的边界条件： 将沿x方向的两个边界面命名为 入口和出口， 沿y方向的两个边界面命名为侧面， 沿z方向的两个边界命名为顶 面和底面， 分 别在入口和出口边界上设置速度入口和压力出口边界条件， 在两个侧面和顶面施加无滑移 边界条件， 在底面施加壁 面边界条件。 8.根据权利要求7所述的用于飞行器波浪情况水动力分析的速度入口数值造波方法， 其特征在于， 步骤六中， CFD数值计算相关参数设置， 采用k ‑ω湍流模型求解动量方程中的 雷诺平均应力项， 压力采用body  force weighted格式进行离散， 时间和空间采用二阶隐式 格式， 对流项和耗散项分别采用二阶迎风和二阶中心差 分进行离散， VOF水气 两相流界面采 用HRIC格式进行捕捉， 压力和速度的耦合采用SIMPLEC格式进行求解， 对于数值造波而言， 其数值计算的时间步长对造波精度影响较大， 给 出时间步长dt的标准， 其公式为： 式中， T为波浪的周期， 单位 为秒。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115525978 A 3