CN105653783A - 提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法 - Google Patents

Abstract

提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，属于复合材料螺旋桨理论数值计算领域。复合材料螺旋桨的数值研究工作涉及的流固耦合计算精度低。一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，所述的复合材料为纤维增强材料(碳纤维或者玻璃纤维)。利用分析软件Ansys？Workbench建立复合材料螺旋桨双向流固耦合求解模型。流固耦合计算中流体求解器采用CFD求解器，结合UDF控制变形后桨叶的边界层高度；固体求解器采用有限元软件，结合复合材料前处理器ACP(Pre)完成桨叶复合材料铺层。利用上述方法，能有效提高复合材料螺旋桨流固耦合的计算精度，使计算结果更加贴接近真实值。

Description

提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法。

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，需要同时考虑流体与结构的影响，大大增加了研究工作的难度。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。

复合材料螺旋桨的研究工作分为试验研究、理论研究和数值计算，试验研究结果较为可靠，但是由于复合材料制备工艺复杂、以及试验条件的限制，试验研究不适合进行大量研究工作。在理论研究方面，由于复合材料螺旋桨涉及流体性能与结构性能两大方向，耦合方程直接求解困难。随着计算机技术的提高和数值求解方法的不断完善，数值计算方式逐渐应用于复合材料螺旋桨的预报工作。然而复合材料螺旋桨的数值研究工作还不够完善，计算精度远远不够，需不断改进算法提高精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决复合材料螺旋桨的数值研究工作涉及的流固耦合计算精度低的问题，而提出一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法。

一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型；

步骤二、在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格；

步骤三、采用基于RANS方程的计算流体力学软件，进行设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数、定义流固耦合面以及设置求解时间步的过程；

步骤四、在ACP中定义纤维增强材料的弹性常数、铺层角度，对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、划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并桨叶复合材料网格与桨毂网格，在结构求解器中定义固定约束条件、定义流固耦合面、设置求解时间步；

步骤七、建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，定义流固耦合面及耦合顺序，设置流固耦合计算时间步及结束时间；

步骤八、在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤九、根据求得的桨叶变形量对流体计算域内网格进行重新划分；

步骤十、调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网格；

步骤十一、进入下一个时间步，对变形后的复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤十二、重复步骤九到十一，在流固耦合终止时间步结束流固耦合计算。

本发明的有益效果为

复合材料螺旋桨流固耦合方式计算过程中，在一个时间步完成后，螺旋桨桨叶发生变形，流体计算域内的网格需要重新划分以适应新的边界，网格重新划分后螺旋桨桨叶表面的第一层边界层厚度发生变化，如果不加以控制，则不能保证水动力性能的计算精度，即使计算得到收敛，计算结果也不准确，因此需要对每个时间步后桨叶面的边界层进行控制，提高计算准确性及精度。本发明利用UDF控制每个时间步内的边界层高度，提高每个时间步计算的水动力性能计算精度，从而保证流固耦合计算结果的准确性。

同时，考虑流固耦合变形后流体计算的边界层问题，在网格重构过程中考虑边界层高度并重新划分，有利于提高水动力的计算精度，可使收敛速度加快保证流固耦合计算的准确性。

考虑不同工况下的来流情况，在UDF中加入螺旋桨雷诺数的计算公式，能够准确计算边界层高度，更有利于提高水动力计算准确性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

具体实施方式

具体实施方式一：

本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，由于纤维的各向异性，复合材料螺旋桨桨叶铺向角度和厚度的改变也会使整个桨叶的弹性参数发生变化，不能单独使用一组参数定义复合材料桨叶的材料属性，需借助复合材料前处理工具设置桨叶的复合材料结构，所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型；

步骤二、在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格；

步骤三、采用基于RANS方程的计算流体力学软件，进行设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数、定义流固耦合面以及设置求解时间步的过程；其中，RANS是雷诺平均的Navier-Stokes方程的简称；

步骤四、在ACP中定义纤维增强材料的弹性常数、铺层角度，对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、划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并桨叶复合材料网格与桨毂网格，在结构求解器中定义固定约束条件、定义流固耦合面、设置求解时间步；

步骤七、建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，定义流固耦合面及耦合顺序，设置流固耦合计算时间步及结束时间；

步骤八、在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤九、根据求得的桨叶变形量对流体计算域内网格进行重新划分；

步骤十、调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网格；

步骤十一、进入下一个时间步，对变形后的复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤十二、重复步骤九到十一，在流固耦合终止时间步结束流固耦合计算。

具体实施方式二：

与具体实施方式一不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤一所述使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型的过程为，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，X轴正方向为来流方向，Y轴为螺旋桨主桨叶所在的坐标轴，Z轴遵守右手定则。

具体实施方式三：

与具体实施方式一或二不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤二所述在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格的过程为，在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域；其中，

流体计算域分为外域和内域；内域为包含螺旋桨的旋转区域，采用非结构网格划分；外域为静止区域，采用结构网格划分；

并在网格划分软件中检查网格质量，定义网格边界；将划分的网格导入Tgrid中，划分复合材料螺旋桨桨叶表面边界层网格。

具体实施方式四：

与具体实施方式三不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤三所述采用基于RANS方程的计算流体力学软件，进行设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数、定义流固耦合面以及设置求解时间步的过程为，

采用基于RANS方程的计算流体力学软件设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数，采用K-WSST湍流模型求解，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表示流体密度；p表示压力；x_i表示X轴上的变量；x_j表示Y轴上的变量；S_i表示广义源项；u_i表示X轴方向速度；u_j表示Y轴方向速度；

设置边界条件，螺旋桨流域入口处设置为速度入口，根据螺旋桨工况设置来流速度；出口处设置为压力出口，出口压力设置为零；定义复合材料螺旋桨桨叶面为流固耦合面；

设置流体计算时间步t₀及步长m，则总时间t_a＝m*t₀。

具体实施方式五：

与具体实施方式一、二或四不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤六所述在结构求解器中定义固定约束条件、定义流固耦合面、设置求解时间步中，定义固定约束条件是将桨叶和桨毂的接触面定义为固定约束条件，定义流固耦合面是将复合材料螺旋桨桨叶定义为流固耦合面，设置求解时间步是指设置结构求解时间步为t₀和终止所需总时间为t_a。

具体实施方式六：

与具体实施方式五不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤七所述的建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，所述复合材料螺旋桨流固耦合方程为：

$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}s\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}s\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，s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。

具体实施方式七：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤七所述的定义流固耦合面及耦合顺序，设置流固耦合计算时间步及结束时间中，定义流体中的耦合面为流固耦合面1，结构中的耦合面为流固耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2；

设置流固耦合计算时间步及结束时间是指设置流固耦合求解时间步为t₀和终止所需总时间为t_a。

具体实施方式八：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤八所述的在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能时，在第一个时间步内，对复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解步骤步骤三和步骤七中的方程；

求出复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能。

具体实施方式九：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤九所述根据求得的桨叶变形量对流体计算域内网格进行重新划分的过程为，根据求得的桨叶变形量，重构复合材料螺旋桨几何，重新划分流体计算域内网格。

具体实施方式十：

与具体实施方式一、二、四或六不同的是，本实施方式的提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，步骤十所述调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网格时，UDF的主要内容包含：

a、根据来流工况计算雷诺数，计算公式为：其中，V_A为进速，n为转速，D为螺旋桨直径，b_0.75R为0.75R处叶切面的弦长，μ为水的运动粘性系数。

b、计算壁面剪切应力，计算公式为：

c、计算摩擦速度，计算公式为：

d、计算第一层网格高度值y，计算公式为：其中，y⁺＝1；

e、控制螺旋桨桨叶表面边界层层数及第一层网格高度，高度值为y。

实施例1：

提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，

步骤一、使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型，复合材料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，X轴正方向为来流方向，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、在网格处理器ICEM中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格；流体计算域分为外域和内域；内域为包含螺旋桨的旋转区域，采用非结构网格划分；外域为静止区域，采用结构网格划分；并在ICEM中检查网格质量，定义网格边界；将划分的网格导入网格处理器Tgrid中，划分复合材料螺旋桨桨叶表面边界层网格。

步骤三、采用基于RANS方程的计算流体力学软件FLUENT，设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数：求解模式选用瞬态，湍流模型选择为K-WSST，螺旋桨流域入口处设置为速度入口，根据螺旋桨工况设置来流速度；出口处设置为压力出口，出口压力设置为零，定义复合材料螺旋桨桨叶面为流固耦合面，设置求解时间步t₀及步长m，则总时间t_a＝m*t₀。

步骤四、在ACP中定义纤维增强材料的弹性常数、铺层角度，对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、在有限元软件中划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并桨叶复合材料网格与桨毂网格，在结构求解器中将桨叶和桨毂的接触面定义为固定约束条件固定约束条件、定义螺旋桨桨叶面为流固耦合面、设置求解时间步t₀和总时间步t_a；

步骤七、在有限元分析软件中建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，定义流体中的耦合面为流固耦合面1，结构中的耦合面为流固耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2；设置流固耦合求解时间步为t₀和终止所需总时间为t_a。其中，复合材料螺旋桨流固耦合方程为：

$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}s\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}s\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，s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。

步骤八、在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤九、根据求得的桨叶变形量。重构变形后的复合材料螺旋桨几何，并对流体计算域内网格进行重新划分；

步骤十、调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网格；UDF的主要内容包含：

a、根据来流工况计算雷诺数，计算公式为：其中，V_A为进速，n为转速，D为螺旋桨直径，b_0.75R为0.75R处叶切面的弦长，μ为水的运动粘性系数。

b、计算壁面剪切应力，计算公式为：

c、计算摩擦速度，计算公式为：

d、计算第一层网格高度值y，计算公式为：其中，y⁺＝1；

e、控制螺旋桨桨叶表面边界层层数及第一层网格高度，高度值为y；

步骤十一、进入下一个时间步，对变形后的复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤十二、重复步骤九到十一，在流固耦合终止时间步结束流固耦合计算。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现：

步骤一、使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型；

步骤二、在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格；

步骤三、采用基于RANS方程的计算流体力学软件，进行设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数、定义流固耦合面以及设置求解时间步的过程；

步骤四、在ACP中定义纤维增强材料的弹性常数、铺层角度，对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、划分桨毂有限元网格；

步骤六、合并桨叶复合材料网格与桨毂网格，在结构求解器中定义固定约束条件、定义流固耦合面、设置求解时间步；

步骤七、建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，定义流固耦合面及耦合顺序，设置流固耦合计算时间步及结束时间；

步骤八、在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤九、根据求得的桨叶变形量对流体计算域内网格进行重新划分；

步骤十、调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网格；

步骤十一、进入下一个时间步，对变形后的复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能；

步骤十二、重复步骤九到十一，在流固耦合终止时间步结束流固耦合计算。

2.根据权利要求1所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤一所述使用三维CAD建模软件建立复合材料螺旋桨的几何模型的过程为，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，X轴正方向为来流方向，Y轴为螺旋桨主桨叶所在的坐标轴，Z轴遵守右手定则。

3.根据权利要求1或2所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤二所述在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域并划分网格的过程为，在网格处理器中为复合材料螺旋桨创建流体计算域；其中，

流体计算域分为外域和内域；内域为包含螺旋桨的旋转区域，采用非结构网格划分；外域为静止区域，采用结构网格划分；

并在网格划分软件中检查网格质量，定义网格边界；将划分的网格导入Tgrid中，划分复合材料螺旋桨桨叶表面边界层网格。

4.根据权利要求3所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤三所述采用基于RANS方程的计算流体力学软件，进行设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数、定义流固耦合面以及设置求解时间步的过程为，

采用基于RANS方程的计算流体力学软件设置复合材料螺旋桨水动力性能求解参数，采用K-WSST湍流模型求解，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表示流体密度；p表示压力；x_i表示X轴上的变量；x_j表示Y轴上的变量；S_i表示广义源项；u_i表示X轴方向速度；u_j表示Y轴方向速度；

设置边界条件，螺旋桨流域入口处设置为速度入口，根据螺旋桨工况设置来流速度；出口处设置为压力出口，出口压力设置为零；定义复合材料螺旋桨桨叶面为流固耦合面；

设置流体计算时间步t₀及步长m，则总时间t_a＝m*t₀。

5.根据权利要求1、2或4所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤六所述在结构求解器中定义固定约束条件、定义流固耦合面、设置求解时间步中，定义固定约束条件是将桨叶和桨毂的接触面定义为固定约束条件，定义流固耦合面是将复合材料螺旋桨桨叶定义为流固耦合面，设置求解时间步是指设置结构求解时间步为t₀和终止所需总时间为t_a。

6.根据权利要求5所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤七所述的建立复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，所述复合材料螺旋桨流固耦合方程为：

$\{\[K_l\]+\[K_0\]+\[K_g\]-\[K_r\]\}\left\{u\right\}-\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}s\left\{P_v\right\}dA=\left\{F_{ext}\right\}+\left\{F_r\right\}+\underset{A}{\∫}{\[N\]}^{T}s\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，s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。

7.根据权利要求1、2、4或6所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤七所述的定义流固耦合面及耦合顺序，设置流固耦合计算时间步及结束时间中，定义流体中的耦合面为流固耦合面1，结构中的耦合面为流固耦合面2，耦合顺序从耦合面1到耦合面2；

设置流固耦合计算时间步及结束时间是指设置流固耦合求解时间步为t₀和终止所需总时间为t_a。

8.根据权利要求1、2、4或6所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤八所述的在第一个时间步内求解复合材料螺旋桨流固耦合计算方程，求得复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能时，在第一个时间步内，对复合材料螺旋桨进行流固耦合计算，求解步骤步骤三和步骤七中的方程；

求出复合材料螺旋桨桨叶变形量和水动力性能。

9.根据权利要求1、2、4或6所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤九所述根据求得的桨叶变形量对流体计算域内网格进行重新划分的过程为，根据求得的桨叶变形量，重构复合材料螺旋桨几何，重新划分流体计算域内网格。

10.根据权利要求1、2、4或6所述提高复合材料螺旋桨流固耦合计算精度的方法，其特征在于：步骤十所述调用编写的UDF程序，控制变形后复合材料螺旋桨流体计算域的边界层网格时，UDF的主要内容包含：

a、根据来流工况计算雷诺数，计算公式为：其中，V_A为进速，n为转速，D为螺旋桨直径，b_0.75R为0.75R处叶切面的弦长，μ为水的运动粘性系数。

b、计算壁面剪切应力，计算公式为：

c、计算摩擦速度，计算公式为：

d、计算第一层网格高度值y，计算公式为：其中，y⁺＝1；

e、控制螺旋桨桨叶表面边界层层数及第一层网格高度，高度值为y。