本发明属于直升机仿真实验技术领域，尤其涉及一种应用于直升机水上迫降的SPH波浪模拟方法。
背景技术：
作业于特殊的河流、湖泊或海上环境的直升机，其水上迫降性能是设计时必须要考虑的问题。从抗坠毁性角度考虑，撞击过程中，水上迫降施加在直升机上的载荷与地面坠撞完全不同。因此，有必要对直升机水上迫降的载荷、运动等力学问题展开专门的研究。而在直升机仿真数值模拟分析中，模拟不同海况情况下的水上迫降特性是考验直升机设计的可靠性和实用性的重要保证。所以，在数值模拟过程中采用有效的波浪生成方法对直升机水上迫降特性研究则显得尤为重要。
相较于有网格的基于网格的任意拉格朗日欧拉法(Arbitrary Lagrangian Eulerian，ALE)，光滑粒子动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH)采用大量的光滑粒子来对流场进行描述，不需要网格进行空间离散，可以避免自由面大变形对于网格法所造成的网格变形或缠结等问题，因此在处理入水冲击这类自由表面大变形的流动问题时具有天然优势。
SPH方法的基础是积分插值理论，即把整个流场的物质离散为一系列粒子，粒子具有速度、内能和质量等参数。流场中任意位置上的参量都可利用各粒子参量通过一个“核函数”的积分求得。最后将流体力学基本方程化为SPH数值计算用的方程组，粒子按照这些计算得到的运动参数任意流动。SPH方法已在自由表面抨击、水坝坍塌、气体爆炸等强非线性流体问题中显示出了高精度高效率的特点。
利用SPH数值模拟来考察有浪条件下直升机的迫降力学问题，首先要解决的是如何生成波浪水体，传统的方法是在水域一侧布置周期摆动的推波板，在推波板的推动下，逐渐造出符合要求的波浪，这一造波方法计算量大，耗时且实施不方便。
技术实现要素：
本发明的目的是通过直接给波型的方式进行造波，根据水动力位势流理论，求解出有浪水域内各质点的速度、加速度等，在SPH流场计算前计算域初始化时，将波浪条件和运动参数赋给初始状态的水域粒子。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于直升机水上迫降的SPH波浪模拟方法，其包括：
根据波浪形状给定典型波浪的波形，所述波形包括前行波和驻波；
根据波形求出有浪水域内各质点的参数，所述参数包括速度、加速度和压强。
进一步的，所述前行波各质点的参数为：
波型η：
水平速度u：
垂直速度w：
压强p：p＝-ρgz+ρgηKP(z)
式中：H为浪高，k为频率，σ为角频率，g为重力加速度，h为平均水深，ρ为密度，t为周期。
进一步的，所述驻波各质点的参数为：
波型η：
水平速度u：
垂直速度w：
压强p：p＝-ρgz+ρgηKp(z)
式中：H为浪高，k为频率，σ为角频率，g为重力加速度，h为平均水深，ρ为密度，t为周期。
进一步的，在直升机水上模拟迫降前，先将直升机模型表面生成预定层数的虚拟粒子。
本发明的应用于直升机水上迫降的SPH波浪模拟方法，根据水动力学规律，直接计算出波浪水域各处水粒子的运动和动力学参数，而无需耗时的预先造波计算，如此既能达到推板造波的效果，又能极大的降低计算消耗时间。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明的应用于直升机水上迫降的SPH波浪模拟方法流程图；
图2a和图2b分别为前行波和驻波的波形示意图；
图3a-图3d分别为本发明的波浪模拟方法得出的前行波状态；
图4a-图4d分别为本发明的波浪模拟方法得出的驻波状态。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
本发明的SPH波浪模拟方法通过直接给波型的方式进行造波。根据水动力位势流理论，求解出有浪水域内各质点的速度、加速度等，在SPH流场计算前计算域初始化时，将波浪条件和运动参数赋给初始状态的水域粒子。本发明考虑两种典型的波浪情况：前行波和驻波。
如图1所示，本发明的应用于直升机水上迫降的SPH波浪模拟方法，其包括：根据波浪形状给定典型波浪的波形，所述波形包括前行波和驻波；之后根据波形求出有浪水域内各质点的参数，所述参数包括速度、加速度和压强。
图2a和图2b所示为前行波和驻波的波形及水动力运动参数的定义。根据水动力位势流理论，可推导出水域内各质点的运动参数和压强。
对于前行波来说，其波面位移方程可表示为：
式中：H为浪高(即波峰到波谷的高度差)，k为频率，L为波长，σ为角频率，σ2＝gktanhkh，h为平均水深，g为重力加速度。
前行波对应的速度势为：
波面以下水域内的水平方向速度可由速度势函数求偏导数得到：
其加速度为：
波面以下水域内的竖直方向速度由速度势函数求偏导数得到：
其加速度为：
水域的压力场由非定常伯努利方程确定，如下式所示：
代入边界条件，化简后可以得到：
类似地，驻波的相关参数也可以计算得到。
前行波和驻波相关物理参数的表达式如表1所示。
表1前行波和驻波的物理参数
其中：H为浪高，即波峰到波谷的高度差，σ为角频率(σ2＝gktanhkh)，t为波浪周期，h为平均水深。
根据上述波浪力学理论，SPH数值模拟在进行计算域粒子的初始化时，即可将计算得到的有浪条件的水域质点运动和压强参数赋给SPH粒子，直接造出水域波浪，为有浪条件的直升机水上迫降数值模拟做好准备。
图3a至3d为利于上述本发明的直接造波法生成前行波的SPH计算域的简单示例，其中图3a为前行波压强模拟图、图3b为前行波波形模拟图、图3c为前行波水平速度模拟图、图3d为前行波垂直速度模拟图。
图4a至4d为利于上述本发明的直接造波法生成驻波的SPH计算域的简单示例，其中图4a为驻波压强模拟图、图4b为驻波波形模拟图、图4c为驻波水平速度模拟图、图4d为驻波垂直速度模拟图。
上述图3a～图3d和图4a～图4d模拟的水域质点的运动和压强参数符合水动力学规律，能满足有浪条件直升机水上迫降问题SPH数值模拟的要求。
本发明的应用于直升机水上迫降SPH模拟的直接造波方法，根据水动力学规律，直接给出波浪水域各处水粒子的运动和动力学参数，而无需耗时的预先造波计算，为有浪条件下直升机迫降问题的SPH计算分析提供便利，可大幅降低运算时间，提高效率。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。