CN108733922A - 一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，包括以下步骤：建立三维模型；计算域流体网格划分；选定物理模型；根据吊舱偏转角度设置边界条件及初始条件；设置求解器参数；分级计算，先采取定常计算，再进行非定常计算，之后逐步降低出口压力至实际值。本发明通过CFD软件对吊舱推进器偏转工况下吊舱桨的空泡形态进行求解，采用全结构网格有利于解决湍流耗散，减少网格数量，提高计算效率，准确模拟吊舱推进器偏转工况下的空泡形态，与试验结果对比一致性较好。
Description
技术领域
本发明属于推进器技术领域，尤其涉及一种吊舱偏转工况下空泡性能计算方法。
背景技术
船舶螺旋桨在高速运转时，当叶背的负压低于水的汽化压力时极易发生空化，产生空泡。空泡的产生和溃灭会对桨叶剥蚀，降低螺旋桨的推进效率，同时会对船底产生极大的诱导脉动压力，引起船舶尾部剧烈振动。近些年，吊舱推进器由于其良好的操纵性已经广泛应用于各类船舶。吊舱推进器在操舵过程中发生偏转，使推进器桨叶载荷增大，空泡性能恶化，剥蚀破坏推进器材料。目前在吊舱推进器偏转工况的空泡研究较少，大多在直航工况下，通过压力预测空泡范围，这只能从压力上分辨容易发生空化的区域，不能得到具体的空化面积。
随着计算机性能的飞越发展，螺旋桨空泡计算多采用CFD。RNS方法(雷诺时均，一种湍流数值模拟方法)和LES(大涡模拟，一种湍流数值模拟方法)方法成为主要手段，但RNS通过平均运算将脉动运动的全部行为细节一律抹平，丧失了包含在脉动项内的大量有意义的信息，而且对不同尺度的涡同等对待，不加区分，不符合实际；LES方法则可以利用详细的计算脉动运动，得到更多流场信息，但由于对网格数量和质量要求太高，耗费计算能力和时间，不被大多数学者采取。
在网格划分方面，非结构网格由于其不能很好的计算粘性问题以及网格填充率低，相同的空间需要填充大量的网格，增加计算时间；同时对于偏转问题，由于操舵过程中，不同的偏转工况下，对应的模型不同，需要重新划分网格，会大量增加了网格划分的时间。
发明内容
基于现有方法的不足，为避免非结构网格的缺点，提高计算效率，同时为吊舱推进器偏转角度不同而提供一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，以实现快速准确的获取不同偏转角下吊舱推进器的空泡性能，为推进器的设计优化提供基础。
吊舱推进器不同偏转角下的空泡性能计算方法，即偏转工况下吊舱推进器空泡性能计算方法。本发明主要基于全结构网格结合重叠网格边界，对不同偏转角度下的吊舱推进器的空泡性能进行计算，结合分离涡湍流模型和schnerr-sauer模型得到更符合实际情况、精度更高的空泡以及空泡演变过程的数据结果。
为实现上述目的，本发明的一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法采用如下步骤：
S1、根据模拟设计确定模型数据尺寸，建立大地坐标系(笛卡尔坐标系)，X轴为来流方向，Z轴为吊舱的偏转轴；
S2、进行计算域和网格划分。将计算域划分为螺旋桨旋转域，吊舱域和远场计算域，在ICEM中采用全结构网格对螺旋桨域、吊舱域和远场计算域进行网格划分；
S3、选定计算的物理模型，采用DES方法、schnerr-sauer空泡模型求解吊舱推进器偏转工况下空泡；
S4、在数值仿真软件Starccm+中偏转吊舱推进器至计算偏转角下，建立旋转坐标系(笛卡尔坐标系)，x轴为螺旋桨旋转轴，z轴为吊舱偏转轴；建立吊舱域和计算域之间的重叠网格。
S5、设置边界条件及初始条件。设置计算区域边界、初始条件包括螺旋桨转速、参考压力、来流速度、流体粘度、密度；
S6、数值计算采用分级计算，首先在定常条件下对吊舱推进器空泡进行计算，待计算稳定(计算残差稳定)后换非定常计算，再逐步增加压力出口压力至预定工况进行计算。并对计算结果的输出进行参数设定及可视化处理，最后运行求解。针对需要得到的结果进行可视化操作，建立气体体积分数的等值面(Isosurface)，在空泡场景图中选取建立的体积分数等值面。
进一步地，所述步骤S2中，计算域划分为螺旋桨旋转域、吊舱域和远场计算域，均采用全结构网格划分方法，包括如下步骤：
a、以螺旋桨內域为旋转域，旋转域直径为螺旋桨直径的1.1～1.5倍；
b、划分一片桨叶网格形成单通道网格，周期性映射后，通过旋转得到整个旋转域网格形成全通道网格；
c、对桨叶附近网格进行加密，确保Y+＜1，节点增长率设为1.1；其中螺旋桨旋转域和吊舱域之间采用交界面连接。
进一步地，所述步骤S3中，采用分离涡DES对空泡性能进行计算，分离涡DES模型在近壁区采用RANS模型进行计算；在远场区采用LES模型进行计算。
进一步地，所述步骤S4中，吊舱域绕吊舱偏转轴Z轴偏转后，在吊舱域和远场计算域之间构建重叠网格，当吊舱再次偏转不同角度时，使用原有网格划分方案再次构建吊舱域和远场计算域之间重叠网格。
本发明的有益效果是：
与大多数计算螺旋桨空泡不同，本发明针对吊舱推进器在多角度偏转工况下的空泡性能计算问题，解决了现有吊舱推进器研究不完善的问题，更贴近实际情况，具有较高的现实意义。利用本发明，可以有效的节省网格划分时间，提高计算效率以及快速计算非均来流下吊舱推进器不同偏转角度的空泡性能，计算结果与实验对比，一致性较好。基于上述理由本发明可在计算流体力学领域广泛推广。
附图说明
图1为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的流程图；
图2为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的计算域划分(a)为螺旋桨旋转域(b)为吊舱域，(c)远场域；
图3为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的螺旋桨旋转域网格图二；
图4为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的螺旋桨域中桨叶网格图；
图5为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的桨叶的壁面放大网格图；
图6为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的吊舱域网格图；
图7为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的吊舱结构网格图(局部)；
图8为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的远场网格图；
图9为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的重叠网格构建整体网格图(右偏10度为例)；
图10为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的重叠网格构建图二(局部)；
图11为本发明一种基于CFD的吊舱推进器偏转工况下数值计算方法的试验与数值计算空泡演变对比图。
图12吊舱推进器实际偏转工况下试验结果对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例以及附图，对本发明的技术方案进行地描述，所描述的实施例是本发明的较佳方案例，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的具体目的是提供一种用于计算吊舱推进器不同偏转角度的空泡性能的方法，通过本方法能够有效提高数据处理速度和效率，降低计算过程的难度以及对硬件的需求，并使得计算结果更加符合实际情况，为吊舱推进器的进一步研究和改进提供基础。
在各附图中，1为来流速度入口，2为壁面，3为压力出口，4为吊舱域边界，即与远场域对应的面构建的重叠网格边界，5为旋转域边界，即与吊舱域对应面构建的交界面；
如图1所示，本发明的具体步骤包括：
S1、建立三维计算模型。本发明中包括螺旋桨、吊舱体等在内的与空泡产生直接相关的具体结构，本实施例中，螺旋桨和吊舱体的参数见表1、表2，旋转域直径为1.2D，远场域中前端来流距离桨盘面中心3Lpod(吊舱体的长度)，壁面距离桨盘面中心6Lpod，后端压力出口距离桨盘面中心8Lpod，来流为X轴正方向。吊舱域前端距离桨叶中心0.2Lpod，四周距离桨盘面中心1.2Lpod，尾端距离桨盘面中心1.2Lpod。
表1螺旋桨主要参数
表2吊舱体的主要参数
| 参数 | 数值 |
| 吊舱体直径Dpod/D | 0.4464 |
| 吊舱体长度Lpod/D | 1.7321 |
| 支柱高度H/D | 1.25 |
S2、首先对几何模型进行计算域划分，如图2所示。在此基础上进行网格划分，得到网格划分图，包括螺旋桨旋转域网格图3、图4、图5、吊舱域图6、图7、远场域网格8，对螺旋桨旋转域，吊舱域和远场计算域采用结构网格划分，桨叶壁面第一层网格节点密度相对于远离壁面的区域较密(如图4、图5所示)，确保y+＜1，网格增长率为1.1(如图5所示)。
S3、选定物理模型，采用DES湍流模型和schnerr-sauer空泡模型求解吊舱推进器偏转工况空泡性能。
S4、吊舱偏转及重叠网格建立。在数值仿真软件Starccm+中使吊舱域和螺旋桨旋转域绕Z轴向右旋转10°，来流为X轴正方向，桨盘面前方计算域边界为速度入口，后方为压力出口，四周设定为对称面边界；旋转域和吊舱域之间建立interface，吊舱域和远场计算域之间构建重叠网格，如图9、图10所示。桨叶和吊舱设置边界为壁面。建立旋转坐标系，坐标系x轴为螺旋桨旋转轴，z轴为吊舱偏转轴。设定参考压力为101325Pa，重力加速度为9.81m/s2，液体动力粘度和密度分别为8.8871×10-4Pa·s、997.561kg/m3，气体动力粘度和密度分别为1.85508×10-5Pa·s、1.18415kg/m3，螺旋桨转速为1254rpm，来流速度3.3m/s。
S5、直接采用空泡模型计算稳定性低，容易发散，故采用分级计算。首先对吊舱推进器进行非定常敞水计算，待计算稳定后切换空泡模型，逐步加压至设定压力。
S6、对计算结果进行可视化操作，运行求解。针对需要得到的结果进行可视化调整，得到了如图11所示的空泡演变图，可以看出，数值模拟结果和实物试验结果图12的桨叶表面气泡产生区域重合率85％-90％，形态吻合较好。
基于以上步骤，即可获得稳定的空泡形态，能够提高计算结果的准确性与计算效率，使得计算结果更加符合空泡发生的实际情形，有利于更好的对空泡状态进行分析处理。
最后应说明的是：本例以吊舱推进器右偏转10°为例，偏转其他角度重读步骤S4，S5，S6即可得到结果。以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在三维软件中建立吊舱推进器模型，建立大地坐标系，沿水平方向建立X轴代表来流方向，以竖直方向建立Z轴代表吊舱的偏转轴；
S2、进行计算域和网格划分，采用全结构网格对螺旋桨域、吊舱域和远场计算域进行网格划分；
S3、选定物理模型，采用DES方法、SA模型及VOF模型求解吊舱推进器偏转工况下空泡；
S4、在数值仿真软件Starccm+中偏转吊舱推进器至计算偏转角下，建立旋转坐标系(笛卡尔坐标系)，Xi轴为螺旋桨旋转轴，z轴为吊舱偏转轴；建立吊舱域和计算域之间的重叠网格；
S5、设置边界条件及初始条件，设置计算区域边界、初始条件包括螺旋桨转速、参考压力、来流速度、流体粘度、密度；
S6、分级计算，在定常条件下对吊舱推进器空泡进行计算，待计算结果稳定后再进行非定常计算，并逐步增加压力出口压力至预定工况进行计算，对计算结果的输出进行参数设定及可视化处理。
2.根据权利要求1所述的吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，计算域划分为螺旋桨旋转域、吊舱域和远场计算域，均采用全结构网格划分方法，包括如下步骤：
a、以螺旋桨內域为旋转域，旋转域直径为螺旋桨直径的1.1～1.5倍；
b、划分一片桨叶网格形成单通道网格，周期性映射后，通过旋转得到整个旋转域网格形成全通道网格；
c、对桨叶附近网格进行加密，确保Y+＜1，节点增长率设为1.1；其中螺旋桨旋转域和吊舱域之间采用交界面连接。
3.根据权利要求1所述的吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，采用分离涡DES对空泡性能进行计算，分离涡DES模型在近壁区采用RANS模型进行计算；在远场区采用LES模型进行计算。
4.根据权利要求1所述的吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，吊舱域绕吊舱偏转轴Z轴偏转后，在吊舱域和远场计算域之间构建重叠网格，当吊舱再次偏转不同角度时，使用原有网格划分方案再次构建吊舱域和远场计算域之间重叠网格。
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