CN105653781A - 一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法 - Google Patents

Abstract

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，本发明涉及复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。本发明是要解决现有方法会因产生空泡影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率，严重影响舰船的隐蔽性，剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷并且影响螺旋桨的水动力性能，而提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。建立几何模型；网格划分；结构与流体设置；结构与流体计算；导出变形后几何模型；重新划分网格；空泡性能计算。本发明应用于螺旋桨领域。

Description

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法

技术领域

本发明涉及复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。

背景技术

复合材料螺旋桨的研究工作从上世纪60年代开始，发展至今，相比于传统金属螺旋桨其轻质、高比刚度、高比强度、耐腐蚀等特性正逐渐应用到高性能舰船领域，在不久的将来将取代传统的金属螺旋桨。但是由于复合材料的变形特性，大大增加了研究工作的难度，需要同时考虑流体与结构的影响。随着水下探测设备在精度和探测距离方向的不断发展，对舰船的隐身性能和航行环境提出了更加苛刻的要求，复合材料螺旋桨的研究工作正面临着前所未有的难度与高度。

螺旋桨在水中旋转时，叶面与叶背之间的压力差提供舰船前进的动力，在航行过程中，随着桨叶面压力的改变，不可避免的会产生空泡。空泡的产生会引起桨叶表面压力脉动，影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率。螺旋桨噪声是舰船噪声的主要来源，空泡是形成螺旋桨噪声的主要成因，严重影响舰船的隐蔽性。同时，空泡的长期作用还会剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷，影响螺旋桨的水动力性能，因此复合材料螺旋桨的空泡性能研究具有十分重要的意义。

发明内容

本发明是要解决现有方法会因产生空泡影响螺旋桨的水动力性能，降低推进效率，严重影响舰船的隐蔽性，剥蚀螺旋桨表面材料，造成表面材料缺陷并且影响螺旋桨的水动力性能，而提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法。

一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，它按以下步骤实现：

步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；

步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；

步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t₀及步长n；

步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；

步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t₀及结束时间t_a，其中t_a＝t₀·n；

步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t₀及结束时间t_a；

步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程

$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_r\right\}dA,$ 其中[K_l]为线性刚度矩阵，[K₀]为初始位移矩阵，[K_g]为几何矩阵，[K_r]为旋转刚度矩阵，{u}为位移向量，[N]为位移插值函数矩阵，n为外法向量，dA为流体和固体耦合面，P_v为叶片旋转产生的水动压力，P_r为叶片弹性变形产生的水动压力，{F_ext}为外力，{F_r}为离心载荷，求解上述方程，获得复合材料螺旋桨桨叶变形量和复合材料螺旋桨水动力；

步骤九、使用通用语言编写命令读取复合材料螺旋桨桨叶变形量，将变形量映射到步骤一中的几何模型上，重构复合材料螺旋桨的几何模型，生成通用网格划分软件的输入文件格式；

步骤十、重新划分重构的复合材料螺旋桨流体计算域，在重构的复合材料螺旋桨桨叶表面划分边界层，设置复合材料螺旋桨空泡性能求解参数，采用k-ωSST湍流模型求解复合材料螺旋桨的空泡性能。

发明效果：

通过上述所述发明，提出了一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，解决了现有复合材料螺旋桨研究工作不完善的问题。利用该方法，能够有效的计算复合材料螺旋桨形成空泡的航行条件，空泡的形态及位置。规避航行条件，避免复合材料螺旋桨在航行过程中形成空泡，影响推进性能。对空泡形成位置进行材料加强，为提高复合材料螺旋桨抗空泡腐蚀性能研究工作提供理论基础。

附图说明

图1是本发明流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，它按以下步骤实现：

步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；

步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；

步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t₀及步长n；

步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；

步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t₀及结束时间t_a，其中t_a＝t₀·n；

步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t₀及结束时间t_a；

步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程

$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_r\right\}dA,$ 其中[K_l]为线性刚度矩阵，[K₀]为初始位移矩阵，[K_g]为几何矩阵，[K_r]为旋转刚度矩阵，{u}为位移向量，[N]为位移插值函数矩阵，n为外法向量，dA为流体和固体耦合面，P_v为叶片旋转产生的水动压力，P_r为叶片弹性变形产生的水动压力，{F_ext}为外力，{F_r}为离心载荷，求解上述方程，获得复合材料螺旋桨桨叶变形量和复合材料螺旋桨水动力；

步骤九、为了后续复合材料螺旋桨的空泡性能计算，需要得到变形后的复合材料螺旋桨几何模型，软件中不能直接导出变形后的复合材料螺旋桨几何模型，因此这里需要使用通用语言编写命令读取复合材料螺旋桨桨叶变形量，将变形量映射到步骤一中的几何模型上，重构复合材料螺旋桨的几何模型，生成通用网格划分软件的输入文件格式；

步骤十、重新划分重构的复合材料螺旋桨流体计算域，在重构的复合材料螺旋桨桨叶表面划分边界层，设置复合材料螺旋桨空泡性能求解参数，采用k-ωSST湍流模型求解复合材料螺旋桨的空泡性能。复合材料螺旋桨的空泡性能指复合材料螺旋桨产生空泡的航行条件，空泡的形态及发生空泡的位置。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中复合材料螺旋桨流体计算域分为外域和内域，内域包含复合材料螺旋桨为旋转区域，采用非结构网格划分；外域为静止区域，采用结构网格划分；其中，所述复合材料螺旋桨流体计算域包括步骤一中的复合材料螺旋桨的几何模型。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤三中的RANS方程为

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{\∂x_i}+\frac{\∂}{\∂x_j}(\mathrm{\μ}\frac{\∂u_i}{\∂x_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u_i^{\′}{u}_j^{\′}})+S_i;$

其中，ρ为流体密度，t为时间，S_i为广义源项，p为压力，u_i为x方向速度，u_j为y方向速度，u'_i为x方向脉动速度，u'_j为y方向脉动速度，x_i为坐标轴x，x_j为坐标轴y。

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

仿真实验

步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向，Y轴为螺旋桨主桨叶所在的坐标轴，Z轴遵守右手定则；

步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格。复合材料螺旋桨流体计算域分为外域和内域，内域包含复合材料螺旋桨为旋转区域，采用非结构网格划分；外域为静止区域，采用结构网格划分；

步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，RANS方程为 $\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρu}}_i\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρu}}_i{u}_j\right)=-\frac{\∂p}{\∂x_i}+\frac{\∂}{\∂x_j}(\mathrm{\μ}\frac{\∂u_i}{\∂x_j}-\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{u_i^{\′}{u}_j^{\′}})+S_i,$ 其中，ρ为流体密度，t为时间，S_i为广义源项，p为压力，u_i为x方向速度，u_j为y方向速度，u'_i为x方向脉动速度，u'_j为y方向脉动速度，x_i为坐标轴x，x_j为坐标轴y。

水动力性能指推力系数Kt、扭矩系数Kq，其中Kt＝T/ρn²D⁴，Kq＝Q/ρn²D⁵，T为计算得推力，Q为计算得扭矩，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨直径。

定义边界条件、选择瞬态求解模型，启动动网格，采用光顺(Smoothing)和网格重构(Remeshing)方法在流固耦合结构体变形后更新网格。

定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t₀及步长n。

步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料(碳纤维或者玻璃纤维)的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；

步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t₀及结束时间t_a，其中t_a＝t₀·n；

步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t₀及结束时间t_a；

步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程

$\[M\]\left\{\stackrel{\·\·}{u}\right\}+\[C\]\left\{\stackrel{\·}{u}\right\}+\[K\]\left\{u\right\}=\left\{F_{ce}\right\}+\left\{F_{co}\right\}+\left\{F_h\right\},$ 其中[M]为质量矩阵，[C]为阻尼矩阵，[K]为刚度矩阵，为加速度向量，为速度向量，{u}为位移向量，F_ce为离心力，F_co为科里奥利力，F_h为外力，求解上述方程，获得复合材料螺旋桨桨叶变形量和复合材料螺旋桨水动力性能；

步骤九、为了后续复合材料螺旋桨的空泡性能计算，需要得到变形后的复合材料螺旋桨几何模型，软件中不能直接导出变形后的复合材料螺旋桨几何模型，因此这里需要使用通用语言编写命令读取复合材料螺旋桨桨叶变形量，将变形量映射到步骤一中的几何模型上，重构复合材料螺旋桨的几何模型，生成通用网格划分软件的输入文件格式；

步骤十、重新划分重构的复合材料螺旋桨流体计算域，在重构的复合材料螺旋桨桨叶表面划分边界层，设置复合材料螺旋桨空泡性能求解参数，采用k-ωSST湍流模型求解复合材料螺旋桨的空泡性能。在CFD后处理中显示气相的体积分数即复合材料螺旋桨形成空泡的位置及形态。

Claims (3)

1.一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，其特征在于它按以下步骤实现：

步骤一、使用三维建模软件CAD建立复合材料螺旋桨的几何模型，螺旋桨所在的坐标系为笛卡尔坐标系，取X轴为螺旋桨的旋转轴，正X方向为来流方向；

步骤二、在网格划分软件中建立复合材料螺旋桨流体计算域并划分网格；

步骤三、流体基本设置：采用基于RANS方程的计算流体力学软件建立复合材料螺旋桨水动力性能求解方程，设置求解参数，边界条件、启动动网格、定义复合材料螺旋桨桨叶部分为流固耦合面，设置计算时间步为t₀及步长n；

步骤四、在AnsysWorkbench复合材料分析软件ACP中定义复合材料的弹性模量、杨氏模量和泊松比，定义复合材料铺层角度及顺序对复合材料螺旋桨桨叶进行铺层，铺层后生成含有复合材料属性及铺层特性的复合材料螺旋桨桨叶网格文件；

步骤五、利用结构计算软件的前处理器划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并复合材料螺旋桨桨叶网格与桨毂有限元网格，在结构求解器中定义复合材料螺旋桨桨叶与桨毂接触部分为固定约束，将复合材料螺旋桨桨叶部分设置为流固耦合面，设置计算时间步t₀及结束时间t_a，其中t_a＝t₀·n；

步骤七、定义流固耦合计算中流体计算的水动力载荷与复合材料螺旋桨桨叶变形量传递耦合面，流体部分的耦合面设置为耦合面1，结构部分的耦合面设置为耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2，流固耦合计算时间步t₀及结束时间t_a；

步骤八、建立复合材料螺旋桨流固耦合方程

$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}n\left\{P_r\right\}dA,$ 其中[K_l]为线性刚度矩阵，[K₀]为初始位移矩阵，[K_g]为几何矩阵，[K_r]为旋转刚度矩阵，{u}为位移向量，[N]为位移插值函数矩阵，n为外法向量，dA为流体和固体耦合面，P_v为叶片旋转产生的水动压力，P_r为叶片弹性变形产生的水动压力，{F_ext}为外力，{F_r}为离心载荷，求解上述方程，获得复合材料螺旋桨桨叶变形量和复合材料螺旋桨水动力；

步骤九、使用通用语言编写命令读取复合材料螺旋桨桨叶变形量，将变形量映射到步骤一中的几何模型上，重构复合材料螺旋桨的几何模型，生成通用网格划分软件的输入文件格式；

步骤十、重新划分重构的复合材料螺旋桨流体计算域，在重构的复合材料螺旋桨桨叶表面划分边界层，设置复合材料螺旋桨空泡性能求解参数，采用k-ωSST湍流模型求解复合材料螺旋桨的空泡性能。

2.根据权利要求1所述的一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，其特征在于所述步骤二中复合材料螺旋桨流体计算域分为外域和内域，内域包含复合材料螺旋桨为旋转区域，采用非结构网格划分；外域为静止区域，采用结构网格划分；其中，所述复合材料螺旋桨流体计算域包括步骤一中的复合材料螺旋桨的几何模型。

3.根据权利要求1或2所述的一种复合材料螺旋桨空泡性能的计算方法，其特征在于所述步骤三中的RANS方程为

其中，ρ为流体密度，t为时间，S_i为广义源项，p为压力，u_i为x方向速度，u_j为y方向速度，u'_i为x方向脉动速度，u'_j为y方向脉动速度，x_i为x轴变量，x_j为y轴变量。