面向航行体表面多尺度空泡流动的无网格N-S/DSMC耦合方法研究

The mechanism of multi-scale cavitation flow on the surface of the navigational craft has important research value in marine engineering technologies, however, the extremely small spatial and temporal scales in multi-scale cavitation flow make the relevant theoretical and experimental studies difficult to be carried out, thus it is of great significance to develop the muti-scale numerical method for the study of the corresponding problem. Accordingly, this project intents to combine the meshless method with the N-S/DSMC coupling method, construct the meshless adaptive N-S/DSMC strong coupling method based on the multimedia flow model through investigating the discrete point generation method based on the multi-scale flow characteristic, the multimedia flow models in different scales, the construction method of the point/molecular clouds and cloud overlapping N-S/DSMC strong coupling method. The meshless method with great flexibility is used to satisfy the requirement of numerical discretization for trans-scale deformation of micro-cavitation structrues, and the N-S/DSMC coupling method based on the multi-media/multi-component model is used to realize the global simulation of the multi-scale cavitation flow field. The implementation of this project will provide a flexible and effective research method for the study of the cavitation flow on the surface of the navigational craft, meanwhile, it will open up the research direction of the multi-scale coupling numerical method, and provide the theoretical reference and technical support for other multi-scale flow research.

航行体表面多尺度空泡流动机理在船海工程技术中具有着重要的研究价值，而多尺度空泡流动内时空尺度极其微小的特性使相关的实验和理论研究较难开展，因此发展相应的多尺度数值方法对该问题的研究具有重要意义。据此，本项目拟融合无网格方法与N-S/DSMC耦合方法，通过研究基于多尺度流动特征的离散点生成方法、不同尺度下的多介质流动模型、点云/分子云的构造方法以及云重叠式N-S/DSMC强耦合方法，构建基于多介质流动模型的无网格自适应N-S/DSMC强耦合方法，以灵活性极强的无网格方法来满足微空泡结构体跨尺度形变对数值离散能力的要求，并通过基于多介质/多组分模型的N-S/DSMC耦合方法来实现多尺度空泡流场的全领域模拟。本项目的实施将为多尺度空泡流动提供灵活而有效的研究方法，同时也能开拓多尺度耦合数值方法的研究方向，为其他多尺度流动研究提供理论参考和技术支持。

本项目以航行体表面微尺度空泡的流动状态模拟为工程应用对象，开展基于无网格方法的多尺度流体数值方法研发。在研发期间，项目组首先提出了分子云概念，并结合背景网格检索等技术构建了无网格DSMC方法；随后采用AUSM格式对DSMC-IP方法中的关联项通量进行了改造，同时设计了相应的优化方法，提出了优化型DSMC-IP方法；再将上述研究成果与无网格N-S方法相结合，通过分界面划分，插值点延拓，点云/分子云重叠等方法提出了无网格N-S/DSMC-IP耦合方法，形成了多尺度连续/稀薄耦合方法的基本结构；其后，以局部分子自由程和压力梯度为基准，构造判断函数与位移函数，并结合其他技术提出了无网格离散点自适应方法，使本项目中提出的多尺度无网格方法具有自适应能力；最后通过气液两相分界面边界的设计，结合点自适应位移方法实现多尺度气液两相流动模型与无网格方法的耦合。目前，预期目标已基本实现，未来工作可在此基础上进一步深化。本项目的研究成果可以为多尺度空泡流动模拟提供一种极具灵活性的方法，并为多尺度耦合流动模拟数值方法的研发提供新的思路。