本发明涉及波浪模拟装置及方法，特别是涉及规则波海浪模拟装置和方法，属于飞行试验领域。
背景技术：
海洋拥有巨大的经济价值和战略意义，随着海洋经济的发展，以及军事需求的增加，海上飞行活动日益频繁，提高海上飞行的安全性和救生能力问题也越来越受到人们的重视。具有垂向起落、良好的飞行控制优势的飞行器被普及于水上活动的各范围。当此类飞行器大量使用时，由于某些因素会造成飞行器发生故障。在此背景下，研究飞行器迫降后的漂浮海洋环境，可为其适航取证提供一定的参考。
针对造波技术，主要通过边界造波法、边界元算法、有限差分法、sph方法、传统ale方法实现，边界造波法生成的波形虽然有较好的稳定性，但存在波高沿程衰减较大的缺点；基于势流理论的边界元算法，该算法对有限元模型的总网格数量、网格质量有着较高的要求；通过有限差分法求解n-s方程，采用vof方法数值造波，因其独特的favor网格处理技术，虽能精确的描述外型，但使模型非常复杂；sph方法能很好的模拟大变形运动，但不能实现风载荷的模拟。传统ale方法缺点在于对计算设备要求高，占用资源大，计算流固耦合问题时间长。
从上述背景技术下可以看出，以上方法存在波高沿程衰减较大，网格数量大，不能同时实现风、浪载荷与飞行器的耦合，计算时间长等缺点，需要一种能同时实现风、浪载荷与飞行器耦合，并且准确模拟海况，计算时间短的波浪模拟方法，来解决飞行器迫降后的飞行器损坏的计算问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种波浪模拟装置和方法，能真实准确的模拟海况环境，提高计算效率，并且能实现风、浪载荷与飞行器的耦合。
本发明的技术解决方案：
根据本发明的一方面，提供了一种波浪模拟方法，通过以下步骤实现：
步骤1，根据需要制造波浪的波长、波高、频率和水深，计算得出造浪板的冲程和频率，从而获得推板造浪模型；
步骤2，建立水池模型，包括空气域和水域模型的搭建、空气域和水域接触面的限定、水池四周及底部的限定和网格的划分。
步骤3，采用ale计算方法，将造波板模型与水池模型构建在一起，获的波浪模型。
步骤4，采用获得的波浪模型在试验水池造浪，对飞行器进行迫降后的飞行器损坏试验。
所述的造波板的模型为
所述的空气域和水域接触面的限定为：空气域和水域接触面的法向相对速率为零。
所述的水池侧面及底部的限定为:水池中波浪到达的侧面设置为无反射边界条件，水池底部设置为其竖直方向自由度为零，其余侧面设置为其垂直于侧面方向的自由度为零。
所述的网格的划分方法为：在研究物体降落的过程中接触到的空气域和水域网格加密，网格尺寸不小于飞行器结构网格尺寸的三分之一，其他空气域和水域的网格稀疏，网格尺寸不大于飞行器结构网格尺寸的三倍。
优选的，网格加密的范围可以扩大为在研究物体降落过程中可能接触的空气域和水域，并进行扩大，选取规则形状的空气域和水域。
优选的，所述的网格稀疏为渐变式稀疏,从与研究物体接触的部分到远离的部分，网格从加密渐变到稀疏。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种波浪模拟装置，包括模型构建模块和试验水池，所述的模型构建模块包括推板造浪模块，水池模块和波浪生成模块；所述的推板造浪模块根据需要制造波浪的波长、波高、频率和水深确定推板造浪的模型，所述的水池模块生成试验需要的水池模型，所述的波浪生成模块将推板造浪模块生成的推板造浪模型和水池模块生成的水池模型结合在一起，生成波浪模型，所述的试验水池是满足造浪和飞行器条件的水池，可以根据构建的波浪模型进行造波，用于飞行器迫降后的飞行器损坏试验。
所述的推浪板造浪模块中推板造浪模型为
所述的水池模块包括空气域和水域模型的搭建、空气域和水域接触面的限定、水池四周及底部的限定和网格的划分。
所述的空气域和水域接触面的限定为：空气域和水域接触面的法向相对速率为零。
所述的水池侧面及底部的限定为:水池中波浪到达的侧面设置为无反射边界条件，水池底部设置为其竖直方向自由度为零，其余侧面设置为其垂直于侧面方向的自由度为零。
优选的，所述的波浪生成模块中波浪生成的方法为ale算法。
本发明与现有技术相比的有益效果：
(1)本发明确定了特殊的推板模型和水池模型，可以通过对推板造波的简化和水池约束的建立，真实准确的模拟海况环境，并提高计算效率；
(2)本发明采用的变网格划分法，可以在准确模拟海况的前提下，有效的减少网格数量，减少计算的时间，提高效率；
(3)本发明在水池模型的建立时，对空气域和水域都进行了建模和网格的划分并对空气域和水域边界条件的进行特殊限定，将待研究的物体与水域的波动联系在一起，实现了风、浪载荷与飞行器耦合的模拟。
附图说明
图1为本发明的波浪模拟流程图；
图2为本发明实施例中的空气域与水域模型；
图3为本发明实施例中的稀疏网格处理水池模型；
图4为本发明实施例中的波形运动图；
具体实施方式
下面结合具体实例及附图对本发明进行详细说明。
实施例1、一种波浪模拟方法，如图1所示，通过以下步骤实现：
步骤1，根据需要制造波浪的波长、波高、周期及水池的水深，计算得出造浪板的冲程和频率，从而建立推板造浪法模型；
步骤2，建立水池模型，包括空气域和水域模型的搭建、空气域和水域接触面的限定、水池四周及底部的限定和网格的划分等。
步骤3，采用ale计算方法，将造波板模型与水池模型构建在一起，获得波浪模型。
步骤4，采用获得的波浪模型在试验水池造浪，对飞行器进行迫降后的飞行器损坏试验。
造波板的模型为
空气域和水域接触面的限定为：空气域和水域接触面的法向相对速率为零。
水池侧面及底部的限定为:水池中波浪到达的侧面设置为无反射边界条件，水池底部设置为其竖直方向自由度为零，其余侧面设置为其垂直于侧面方向的自由度为零。
网格的划分方法为：在研究物体降落的过程中接触到的空气域和水域网格加密，网格尺寸不小于飞行器结构网格尺寸的三分之一，其他空气域和水域的网格稀疏，网格尺寸不大于飞行器结构网格尺寸的三倍。
优选的，网格加密的范围可以扩大为在研究物体降落过程中可能接触的空气域和水域，并进行扩大，选取规则形状的空气域和水域。
优选的，网格稀疏为渐变式稀疏,从与研究物体接触的部分到远离的部分，网格从加密渐变到稀疏。
实施例2、本实施例以三级海况模拟为例，具体步骤如下：
步骤1：建立推板造浪模型。
水池的运动源是推板，那么形成的海浪会按照推板的运动规律呈现，推板从静止到周期运动，造波水池逐渐产生稳定周期波浪，波面方程如下：
式中，第一项是稳态项，表示造出来的线性波；第二项为造波板产生的衰减波，它随着离开造波板的距离的增加而逐渐衰减，可以忽略，故公式(1)可以简化如下：
式中：
本发明提出波浪估算公式如下：
式中，h为波高。将(2)式与(3)式相等得出如下方程：
可以看出方程中涉及的输入参数为波长、波高、频率、水深，可得出造波板的冲程。
设推波板运动的位移方程为：
则推波板运动的速度方程为：
以三级海况为例，波长15.8米，波高1.2米，周期3秒，水池深度为4米，得出推波板的冲程为1.43米，故推波板运动的速度方程为u＝1.43cos2t。
步骤2：建立水池模型。
虽然自然界存在着各种各样复杂的水波，但用来描述这些水波的数学模型却都可以基于流体力学的基本方程组来建立。
对于不可压缩粘性流体，其形成的波浪运动的基本方程组为：
方程中，p为压强；fx、fy、fz为各轴的质量力；ρ为流体密度；μ为流体的动力粘度，x、y、z为直角坐标，u、v、w分别为速度在x、y、z轴上的分量，t为时间。
要对海浪进行模拟，除了公式(7)至公式(10)外，还需要添加初始前提和约束控制条件。
对于有势波运动，在仿真模型建立时，需注意水池最上层平面与空气最下层平面的属性，加以互相接触的约束，自由液面大气密度很小，它并不能像固体边界一样，给流体以刚性约束，接触液面虽然随水波一起流动，但其上的网格不会离开接触液面，由此，可以知道接触液面单元网格的法向速率要与接触液面的法向速率相等，即：
公式(11)未涉及力的作用，所以它只能作为自由液面的运动边界条件，当自由液面做接触的是大气时，其表面压力即为大气压力，结合势流理论则可推导出接触液面的约束方程：
式中，pa是大气压强，ρ是流体密度，g是当地重力加速度，
而结合公式(11)和公式(12)，我们可以得到势波运动的自由液面条件：
式中，n为固体壁面上的法向。
附图2为本发明实施例中的空气域和水域模型，模型分为空气域和水域两个部分，其中水深为4m，图中灰色部分的高度为3.5m，模型宽度为40m，水池长度为200m，造波板是一个刚性薄壁结构，位于水池的后部，距离边界为10m。
本发明实施例中三级海况波长约为16m，造波过程中需出现6个左右以上完整波形，波浪才趋于稳定，水域行程约100m，同时考虑造波板相对水池模型位置、避免反射波对波形的影响，本实施例将水池长度设置为200m；参考工程经验，水池深度一般为3～5m之间，本实施例将水池深度设置为4m；水池宽度根据后续需要研究的飞行器尺寸确定，本实施例将水池宽度设置为40m。
根据上述波浪运动的基本方程组和约束控制方程，将水槽左端面设置为无反射边界条件，水池底部约束其竖直方向自由度，其余侧面约束作无滑移边界处理(即约束垂向的位移)，对水槽的每个边做单独位移约束，根据公式(13)将空气域与水域接触面采用共节点约束，使得接触面上的所有节点为空气域与水域所共用，保证空气域与水域接触面法向方向始终保持一致。
为了节约电脑计算空间和提高计算效率，可以把后续需要研究的飞行器与空气和水接触的地方网格加密，网格加密量值范围为3倍以内，即相对于飞行器结构网格尺寸缩小3倍以内；其他地方可以适当稀疏，网格稀疏程度相对飞行器结构网格尺寸增大3倍以内，稀疏程度过大会造成波浪传递过程中出现明显衰减的现象，如图2所示的为加密网格为等值加密，稀疏网格为渐快稀疏的策略，最后建立的水池模型如图2、3所示。
步骤3：建立波浪模型。
分析气、液和结构多相流耦合计算采用ale耦合方法，该方法的特点是能够有效的跟踪物质结构边界的运动，即结构网格附着在物体上，并随物体的变形而运动，流场网格独立于物质存在，之间采用物质输送算法，实现各参数的传递。
本发明实施例中参考《ls-dyna3d理论基础与实例分析》一书中5.4小节流固耦合算法模拟爆炸实例，将推波板模型和水池模型导入到ls-dyna后，设置空气、水和造波板的section属性、材料属性、状态方程、造波板的运动方程等参数，选取ale算法来解决推波板与水池的耦合问题。
通过波浪模型得出的波形图如图4所示，提取了t＝0、5、10、20、30s这5个时间点的仿真结果。对比结果如下：
波浪模型仿真波浪：波长14.9米，波高1.23米，周期3.27秒；
三级海况标准波浪：波长15.8米，波高1.2米，平均周期3.2秒。
本发明采用的方法可以真实准确的模拟海况环境，同时在节约计算机存储空间和计算效率上，其他波浪模拟计算方法计算周期为1天以上，若不采用渐变网格，一个工况计算时间为20小时左右，计算机储存空间需30g左右；采用变网格后计算时间为6小时左右，计算机储存空间需10g左右，很大程度上节约了计算机存储空间和提高了计算效率。
步骤4，采用获得的波浪模型在试验水池造浪，对飞行器进行迫降后的飞行器损坏试验。
实施例3、一种波浪模拟装置，包括模型构建模块和试验水池，所述的模型构建模块包括推板造浪模块，水池模块和波浪生成模块；所述的推板造浪模块根据需要制造波浪的波长、波高、频率和水深确定推板造浪的模型，所述的水池模块生成试验需要的水池模型，所述的波浪生成模块将推板造浪模块生成的推板造浪模型和水池模块生成的水池模型结合在一起，生成波浪模型，所述的试验水池是满足造浪和飞行器条件的水池，可以根据构建的波浪模型进行造波，用于飞行器迫降后的飞行器损坏试验。
推浪板造浪模块中推板造浪模型为
水池模块包括空气域和水域模型的搭建、空气域和水域接触面的限定、水池四周及底部的限定和网格的划分。
空气域和水域接触面的限定为：空气域和水域接触面的法向相对速率为零。
水池侧面及底部的限定为:水池中波浪到达的侧面设置为无反射边界条件，水池底部设置为其竖直方向自由度为零，其余侧面设置为其垂直于侧面方向的自由度为零。
优选的在一个实施例中，波浪生成模块中波浪生成的方法为ale算法。
本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
1.一种波浪模拟方法，其特征在于：通过以下步骤实现,
步骤1，确定造波板的模型
步骤2，建立水池模型，水池模型包括空气域模型和水域模型；
步骤3，采用ale计算方法，将步骤1得到的造波板模型与步骤2得到的水池模型构建在一起，得到波浪模型；
步骤4，采用获得的波浪模型在试验水池造浪，对飞行器进行迫降后的飞行器损坏试验。
2.根据权利要求1所述的波浪模拟方法，其特征在于：空气域模型和水域模型构建包括气域和水域接触面的限定、水池四周及底部的限定和网格的划分。
3.根据权利要求2所述的波浪模拟方法，其特征在于：所述的空气域和水域接触面的限定为：空气域和水域接触面的法向相对速率为零。
4.根据权利要求2所述的波浪模拟方法，其特征在于：所述的水池侧面及底部的限定为:水池中波浪到达的侧面设置为无反射边界条件，水池底部设置为其竖直方向自由度为零，其余侧面设置为其垂直于侧面方向的自由度为零。
5.根据权利要求2所述的波浪模拟方法，其特征在于：所述的网格的划分方法为：在研究物体降落的过程中接触到的空气域和水域网格加密，网格尺寸不小于飞行器结构网格尺寸的三分之一，其他空气域和水域的网格稀疏，网格尺寸不大于飞行器结构网格尺寸的三倍。
6.根据权利要求5所述的波浪模拟方法，其特征在于：所述的网格加密的范围可以扩大为在研究物体降落过程中可能接触的空气域和水域，并选取规则形状的空气域和水域。
7.根据权利要求5所述的波浪模拟方法，其特征在于：所述的网格稀疏为渐变式稀疏,从与研究物体接触的部分到远离的部分，网格从加密渐变到稀疏。
8.一种波浪模拟装置，其特征在于：包括模型构建模块和试验水池，所述的模型构建模块包括推板造浪模块，水池模块和波浪生成模块；所述的推板造浪模块根据需要制造波浪的波长、波高、频率和水深确定推板造浪模型，所述的水池模块生成试验需要的水池模型，所述的波浪生成模块将推板造浪模块生成的推板造浪模型和水池模块生成的水池模型结合在一起，生成波浪模型，所述的试验水池是满足造浪和飞行器条件的水池，可以根据构建的波浪模型进行造波，用于飞行器迫降后的飞行器损坏试验。
9.根据权利要求8所述的波浪模拟装置，其特征在于：造波板的模型
10.根据权利要求8所述的波浪模拟装置，其特征在于：所述的水池模型包括空气域模型和水域模型。
技术总结