關(guān)于提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)升阻比系數(shù)的探討

關(guān)于提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)升阻比系數(shù)的探討

為了實(shí)現(xiàn)海上高速航行，兩艘裝甲車輛必須進(jìn)入高速船的范疇。對(duì)于兩臺(tái)裝甲車輛來說，由于其性能高、指標(biāo)要求高、車輛設(shè)計(jì)中的限制條件高，因此在不同的模式下，海上高速駕駛的大多數(shù)模式都集中在駕駛員的應(yīng)用上。相對(duì)于滑行艇,兩棲裝甲車輛車體小,質(zhì)量大,實(shí)現(xiàn)車頭離水的難度也就大,這需要對(duì)傳統(tǒng)的裝甲車輛進(jìn)行改造,如為了增加車輛的迎水面,同時(shí)避免車體首部較大的攻角所帶來的較大阻力,一般在車體前面和后部安裝滑板,為了減少行駛過程中履帶受到的阻力,將履帶收起等。上述改造將排水型車體變?yōu)榻朴诩?xì)長體(車體的高和寬在一個(gè)數(shù)量級(jí))的滑水型車體。由于水翼艇在進(jìn)入飛行狀態(tài)后,其阻力將隨著速度的提高而下降,在滑行車體上增加水翼的復(fù)合型車體結(jié)構(gòu)是提高兩棲車輛速度的有效方案之一。鑒于此,本文研究了在裙板上增加平板薄翼、改變車體質(zhì)心以增加車輛在水中的縱傾等方案,設(shè)計(jì)這些方案的目的在于:1)提高兩棲車輛的升阻比系數(shù),降低車頭離水所需速度,從而間接降低兩棲車輛的阻力,實(shí)現(xiàn)兩棲車輛高速滑行;2)設(shè)計(jì)融合槽道、水翼原理的復(fù)合車體,抑制車輛滑行過程中的噴濺,降低阻力。由于兩棲車輛的車體結(jié)構(gòu)較一般的滑行、水翼艇有較大的區(qū)別,所以傳統(tǒng)的快艇動(dòng)力學(xué)無法應(yīng)用到兩棲車輛上。本文根據(jù)兩棲車輛低速仿真的經(jīng)驗(yàn),采用VOF多相流模型對(duì)車體的水上性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,為了降低計(jì)算復(fù)雜性,突出各種方案的優(yōu)劣,計(jì)算時(shí)沒有考慮車輛行動(dòng)部分(履帶、主動(dòng)輪、負(fù)重輪、拖帶輪、誘導(dǎo)輪和減振器等),但留出了行動(dòng)部分所占的空間位置,車體外觀尺寸為9.1m×2.12m×3.638m,計(jì)算時(shí)沒有考慮波浪的影響。對(duì)于這樣的車體,其起飛速度大約在20～28km/h之間,結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)資源,選擇了5m/s、6m/s、7m/s三種速度進(jìn)行對(duì)比。1壁面層網(wǎng)格劃分為了減少流場邊界對(duì)計(jì)算精度的影響,希望選擇的計(jì)算空間越大越好,但計(jì)算空間越大,所需要的計(jì)算機(jī)資源越多;車輛速度越高,它所波及的流場空間越大,為了適應(yīng)高速的需要,將計(jì)算空間的長、寬、高選為50m、15m、15m,其中寬為實(shí)際計(jì)算空間的一半,在這個(gè)空間內(nèi),出口處沒有發(fā)現(xiàn)回流,頂部和側(cè)面水氣相分界線以上沒有噴濺的水。車體初始質(zhì)心位置為:縱向側(cè)傳動(dòng)后3327mm,橫向車輛中心線上誤差±20mm,垂直向側(cè)傳動(dòng)上方500mm,初始計(jì)算攻角為3°.計(jì)算空間的網(wǎng)格劃分采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方案。車體表面的網(wǎng)格精度對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響,這是因?yàn)楸诿媲袘?yīng)力τw是直接根據(jù)壁面函數(shù)得到的,如果節(jié)點(diǎn)布置不準(zhǔn)確,則影響到壁面所受摩擦力和壓力的計(jì)算。本文選用了壁面函數(shù)法來模擬壁面的湍流邊界層,壁面函數(shù)的適應(yīng)性在壁面區(qū)的對(duì)數(shù)律層,所以要保證壁面函數(shù)法有效,就要使離壁面最近的節(jié)點(diǎn)位于湍流的對(duì)數(shù)律層,即壁面層的網(wǎng)格不能過密也不能過疏,過密導(dǎo)致網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處于剪切流動(dòng)強(qiáng)烈的區(qū)域,計(jì)算值偏大,過疏則導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏小。一般來說對(duì)數(shù)律層的適應(yīng)范圍在30≤y+≤500內(nèi)(y+為節(jié)點(diǎn)到壁面距離的無量綱參數(shù)),由于離壁面最近節(jié)點(diǎn)的位置是按照y+計(jì)算的,根據(jù)近壁區(qū)的壁面函數(shù)法湍流計(jì)算模型,可推導(dǎo)按y+計(jì)算邊界節(jié)點(diǎn)位置的方法為Δyp=y+μln(Ey+)κρ1/2upΔyp=y+μln(Ey+)κρ1/2up,(1)其中:y+為無量綱參數(shù),表示距離;μ為流體粘度系數(shù);E是與壁面粗糙度有關(guān)的常數(shù),對(duì)于光滑壁面,E=9.8;κ為Karman常數(shù),取值為0.42;up為距離壁面最近節(jié)點(diǎn)p的時(shí)均速度。式(1)中如果知道了up和y+,就可以計(jì)算出Δyp.根據(jù)上述網(wǎng)格劃分方法得到的網(wǎng)格如圖1所示,各種方案在不同速度時(shí)的網(wǎng)格數(shù)量在350萬至600萬之間,采用CartesianY-Coordinate方法對(duì)網(wǎng)格分割,在4～6臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行并行計(jì)算,其中4臺(tái)計(jì)算機(jī)并行計(jì)算時(shí)的車體網(wǎng)格分割結(jié)果如圖2所示,計(jì)算時(shí)間為80h左右。2模型收斂性評(píng)價(jià)選用VOF模型對(duì)車輛所受到的阻力和升力進(jìn)行計(jì)算時(shí)的初始條件為,海水和空氣的密度和粘度取在15℃時(shí)的值,不考慮海上的風(fēng)浪影響,環(huán)境氣壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,該標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的作用點(diǎn)在氣相中,重力加速度為9.81m/s2,流體的速度初始值根據(jù)車速確定。其邊界條件如圖3所示,在車體遠(yuǎn)前方的進(jìn)流面上有相互分離的空氣和水,這兩個(gè)進(jìn)流面為速度入口,它們之間的分界線即為自由水面,其位置根據(jù)車輛的水線(車體和水氣兩相分界線的交線)確定。計(jì)算過程中先選用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法獲得穩(wěn)定的初始解,然后采用靜網(wǎng)格瞬態(tài)計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。以每種方案的升力、阻力和升阻比系數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),升力大、升阻比系數(shù)大或阻力小、升阻比系數(shù)大的方案可選,這是因?yàn)閷?duì)于給定的兩棲車輛,其質(zhì)量的變化較小,如果車體升阻比系數(shù)越大,則其阻力必然越小。計(jì)算模型收斂性的評(píng)價(jià)根據(jù)下面幾個(gè)原則,一是根據(jù)計(jì)算過程中的殘差是否達(dá)到了規(guī)定的精度,由于網(wǎng)格數(shù)量和流動(dòng)復(fù)雜性對(duì)殘差的大小有很大影響,對(duì)于不同的計(jì)算模型如車輛速度不同等,不能完全采用這一個(gè)標(biāo)準(zhǔn);二是考慮計(jì)算模型自身的精確性,有以下幾個(gè)方面:1)計(jì)算流場進(jìn)出口質(zhì)量是否守恒;2)車體自身的重量與其受到的升力是否相等;3)車體受到的阻力是否穩(wěn)定;4)對(duì)于通過車體表面壓力對(duì)車輛質(zhì)心的力矩所反算出的質(zhì)心位置是否易于實(shí)現(xiàn)。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí),離散格式壓力項(xiàng)選擇體力加權(quán)格式,動(dòng)量、湍動(dòng)能和湍流擴(kuò)散率都選擇一階迎風(fēng)格式,壓力-速度耦合選擇SIMPLE格式,VOF選擇二階迎風(fēng)格式,各松弛因子選擇文獻(xiàn)中的缺省值,圖7是穩(wěn)態(tài)計(jì)算過程中的殘差變化曲線,瞬態(tài)計(jì)算時(shí)離散格式壓力項(xiàng)仍為體力加權(quán)格式,壓力-速度耦合選擇PISO格式,其它選擇QUICK格式,松弛因子除壓力項(xiàng)由0.3變?yōu)?.6外,其余沒有變化。3網(wǎng)格密度計(jì)算限于論文篇幅限制,給出不同速度下帶側(cè)翼和不帶側(cè)翼的方案性能對(duì)比,同一種速度兩種方案采用了相同的網(wǎng)格密度和網(wǎng)格分割方法,其計(jì)算結(jié)果如下。3.15方案二:側(cè)壁帶認(rèn)識(shí)在車速為5m/s、艏滑板處的水線為1.6m、艉滑板的攻角均為20°.方案一車體攻角為5°、加裝艏艉滑板(艏滑板有圓弧過渡,最大攻角為27°).見圖4.方案二車體攻角為5°、加裝艏艉滑板(艏滑板有圓弧過渡,最大攻角為27°)、帶側(cè)翼(單邊翼展為0.4m).見圖5.3.2方案二:側(cè)和底滑動(dòng)+滑動(dòng)體系方案一車體攻角為5°,艏滑板帶圓弧過渡,最大攻角為27°,艉滑板攻角為15°,沒有側(cè)翼和底滑板。見圖6.方案二車體攻角為5°,艏滑板帶圓弧過渡,最大攻角為27°,艉滑板攻角為15°,有側(cè)翼、無底滑板。見圖7.3.3方案二:側(cè)和底滑動(dòng)+滑動(dòng)體系方案一車體攻角為5°,艏滑板帶圓弧過渡,最大攻角為27°,艉滑板攻角為15°,沒有側(cè)翼和底滑板。見圖8.方案二車體攻角為5°,艏滑板帶圓弧過渡,最大攻角為27°,艉滑板攻角為15°,有側(cè)翼、無底滑板。見圖9.3.4速度對(duì)車輛升力、阻力的影響隨著車輛速度不斷升高,必然有一部分空氣被壓入車底,需要根據(jù)氣泡動(dòng)力學(xué)的理論來仿真這些氣泡的變化及其對(duì)車體受力的影響,向車體四周噴濺的高壓水也可能變成氣體,水氣和空氣就可能均勻混合,這種情況超出了VOF模型中各相流體不能相互混合的假設(shè),所以上述仿真結(jié)果和實(shí)際情況在物理本質(zhì)上存在一定差別,但這些情況在當(dāng)前速度范圍內(nèi)對(duì)車輛的受力影響不大。在升力方面(圖10),帶側(cè)翼的方案所受到的升力遠(yuǎn)大于不帶側(cè)翼的方案,說明加上側(cè)翼后可明顯增加兩棲車輛所受到的動(dòng)升力。在阻力方面(圖11),方案二的阻力出現(xiàn)了最大值,由于車體的升力包括動(dòng)壓產(chǎn)生的水動(dòng)力和靜壓產(chǎn)生的浮力,如果水線位置準(zhǔn)確的化,這兩個(gè)力之和必然與車輛的重力相等,而隨著速度的升高,起飛之前阻力是增加的,升阻比系數(shù)必然降低(圖12),但對(duì)于方案二,在速度為6～7m/s時(shí),升阻比系數(shù)停止減少,并開始增加,根據(jù)滑行、水翼艇的阻力變化規(guī)律,說明車輛已經(jīng)進(jìn)入飛行狀態(tài)(車輛所受到的水動(dòng)壓力已經(jīng)可以托起整個(gè)車輛的大部分重量),考慮到車輛行動(dòng)部分會(huì)增加車輛的阻力值,起飛速度要更高一些。方案一還沒有進(jìn)入飛行狀態(tài),車輛受到的阻力還在急劇增加。從升阻比系數(shù)變化情況看,方案二要高于方案一,但還沒有達(dá)到極大值,這需要更多的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。4各種方案在不同速度下的水上性能對(duì)比本文根據(jù)邊界層和湍流計(jì)算理論給出了壁面網(wǎng)格尺度的計(jì)算方法,提出了設(shè)計(jì)方案升力、阻力和升阻比系數(shù)相結(jié)合的方案評(píng)價(jià)方法(升力大、升阻比系數(shù)大或阻力小、升阻比系數(shù)大的方案可選),采用VOF多相流模型對(duì)幾種方案在不同速度時(shí)的水上性能進(jìn)行了并行計(jì)算。結(jié)果表明,適當(dāng)?shù)卦龃筌囕v縱傾、在裙板上安裝薄翼板的復(fù)合型車體結(jié)構(gòu)有助于降低車頭離水速度,從而間接減少阻力,達(dá)到提高車輛速度的目的