CN112464585A - 一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，属于航海技术领域。通过将势流方法中的面元法和粘性求解RANS方程进行耦合，在粘性求解域中使用体积力的分布代替桨叶的作用，在势流区域使用边界元法获得在考虑有效伴流时的螺旋桨桨叶压力分布，将压力分布转换为体积力用于粘性流场计算，而有效伴流是通过粘性流场的计算结果获得。本发明可以在保证数值仿真精度的前提下，明显减少计算资源和时间的使用，并且提供了一种计算水下航行器推进器实效伴流的方法，可以提高水下航行器推进器的设计优化效率。

Description

一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法

技术领域

本发明属于航海技术领域，涉及导管螺旋桨耦合计算方法研究，具体设计一种基于雷诺应力平均模型(RANS)粘流计算和边界元(BEM)势流计算的导管螺旋桨耦合计算技术。

背景技术

近年来，随着我国对海洋资源的开发和海洋环境的探索日益深入，对航海工程技术的要求也越来越高。自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)是一种可以进行科学考察、海洋探测以及军事侦察的多功能水下机器人。动力推进系统是水下航行器的主要组成部分，主要由动力装置和推进器组成，用于水下航行器的推进器主要有三种：对转螺旋桨、导管螺旋桨以及泵喷推进器。导管螺旋桨，简称为导管桨，作为特种推进器一种，由螺旋桨和包围在其外部的圆环状喷管共同构成，喷管的翼型截面通常在周向是均匀对称的，螺旋桨在喷管内旋转，喷管固定在推进装置壳体上。当水下航行器在低速高载荷工况或者螺旋桨设计直径受到限制时，导管螺旋桨可以显示其独特的优势。在高负荷时导管螺旋桨的效率高，可提供的推力大，同时导管在螺旋桨周围可以起到保护作用，提高螺旋桨的空泡性能，避免与外物碰撞损坏。导管螺旋桨的推进效率、噪声性能对航行器整体的能源利用、航速性能和总体噪声水平起十分重要的作用。准确快速地预报导管螺旋桨的水动力性能可以提高水下航行器的性能评估效率，同时也可以加快螺旋桨的优化设计进程，从而对提高水下航行器性能预估能力和综合设计能力有很重要的作用。因此研究一种粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法具有重要的应用背景。

从工程角度来看，通过粘性求解器对导管螺旋桨进行完全粘性流动数值计算，虽然可以很好地模拟流动特性，更准确地评估导管螺旋桨的性能，但由于计算过程中需要对目标进行的网格划分十分复杂和求解RANS方程需要更多的计算资源和时间，尤其是在涉及到水下航行器及附体与螺旋桨的相互作用以及导管与螺旋桨的相互作用时，需要大量复杂的网格和计算时间，这在水下航行器设计和优化阶段是需要耗费大量资源和时间。

利用边界元法求解势流方程对螺旋桨进行分析和设计是常用的方法。势流方法计算速度快，计算结果有效，预报螺旋桨水动力性能具有经济、快速、简便的优点。然而在粘性和湍流效应明显时，势流计算方法会有较大的误差，比如在螺旋桨的非设计工况、分析大侧斜桨性能、势流计算需要对导管形状处理等都会在一定程度上影响势流数值模拟的精度。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法。通过将势流方法中的面元法和粘性求解RANS方程进行耦合，在粘性求解域中使用体积力的分布代替桨叶的作用，在势流区域使用边界元法获得在考虑有效伴流时的螺旋桨桨叶压力分布，将压力分布转换为体积力用于粘性流场计算，而有效伴流是通过粘性流场的计算结果获得。本发明可以在保证数值仿真精度的前提下，明显减少计算资源和时间的使用，并且提供了一种计算水下航行器推进器实效伴流的方法，可以提高水下航行器推进器的设计优化效率。

技术方案

一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在三维建模软件中建立导管的几何模型，在网格划分软件中建立导管的流体计算域并划分网格；

步骤2：建立基于RANS方程的流体计算模型，通过导入步骤1中不考虑螺旋桨的导管流域网，设置边界条件、求解参数以及湍流模型，求解RANS方程，获得没有螺旋桨作用的导管流场结果；

步骤3：在螺旋桨上游建立距离螺旋桨足够近的轴向位置处建立与桨叶的导边形状相似的弯曲面，在步骤2的流场结果中提取此曲面上的速度信息，用来评估螺旋桨的伴流；

步骤4：针对螺旋桨几何参数，模型在笛卡尔坐标系下，x轴沿螺旋桨的旋转轴指向下游，z轴为某一叶片的母线方向；采用双曲四边形面元对螺旋桨桨叶和尾涡面进行离散，建立螺旋桨面元计算模型；

步骤5：建立基于势流理论的螺旋桨扰动速度势方程，将方程离散化，采用等压库塔条件封闭方程，并根据步骤3的速度边界条件求解上述方程，获得螺旋桨桨叶表面压力分布和伴流提取面上的诱导速度；

步骤6：根据螺旋桨桨叶压力面和吸力面表面压力分布，采用基于等效半径的映射方法，将桨叶表面压力转换成粘性流场中三维网格的体积力分布，保证粘性流场中体积力与螺旋桨桨叶推力相等，体积力作用区域能准确地表达桨叶的形状；

步骤7：用FORTRAN编译将体积力以源项的形式添加到公式(2)中，生成dll文件，建立动态链接库，实现势流计算到粘流计算的数据传输；重新求解步骤2的RANS方程，更新计算结果；

步骤8：返回步骤3，使用FORTRAN编译重新提取伴流曲面上的粘性流场速度结果，并结合步骤5的诱导速度计算结果建立动态编译库，实现粘流计算到势流计算的数据传输，重新进行步骤5的势流计算；

步骤9：判断螺旋桨桨叶推力与有效伴流计算是否达到收敛标准，若满足，则耦合结束，若不满足，则继续进行步骤6计算。

本发明技术方案更进一步的说：步骤2中在螺旋桨上游建立距离螺旋桨导边0.05D轴向位置处建立与螺旋桨导边线为母线旋转一周而形成的弯曲面，此曲面在轴向的投影为直径为D的圆盘面，其中D为螺旋桨直径。

本发明技术方案更进一步的说：步骤5中螺旋桨扰动速度势方程：

其中S_B为桨叶表面，S_W是尾涡面，n为边界的单位法向量，G(p,q)在三维定义为-1/R(p,q)，R(p,q)为点p和点q之间的距离，q点遍历区域边界S_B或S_W。

有益效果

本发明提出的一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，相比于全粘流求解和全势流求解，具有以下优势：

(1)采用了粘流和势流耦合的计算方法，可以大大减少RANS求解时的网格数量，节省了计算资源和计算时间，且保证了数值计算精度。

(2)导管螺旋桨的耦合计算在螺旋桨非设计工况与势流计算方法相比，能够提高导管的性能预报精度。

(3)采用耦合计算方法就可以解决水下航行器螺旋桨的实效伴流计算问题，对螺旋桨分析、设计和优化有很重要的作用。

附图说明

图1为本发明耦合计算方法流程图。

图2为螺旋桨桨叶面元划分示意图。

图3为桨叶压力分布转换成体积力分布的二维示意图。

图4为势流和粘流耦合数据传输示意图。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明实施步骤如下：

步骤1：在三维建模软件中建立导管的几何模型，在网格划分软件中建立导管的流体计算域并划分网格。

步骤2：建立基于RANS方程的流体计算模型，通过导入步骤1中不考虑螺旋桨的导管流域网，设置边界条件、求解参数以及湍流模型，求解RANS方程，获得没有螺旋桨作用的导管流场结果。

其中

为雷诺应力平均速度，u_i'表示脉动速度，ρ为流体的密度，p为流体上的压力，式(2)右边控制方程脉动速度相关项

为雷诺应力，f_i为体积力，代表螺旋桨力的源项。

步骤3：在螺旋桨上游建立距离螺旋桨导边0.05D轴向位置处建立与螺旋桨导边线为母线旋转一周而形成的弯曲面，此曲面在轴向的投影为直径为D的圆盘面，其中D为螺旋桨直径。在步骤2的流场结果中提取曲面上的速度信息，用来评估螺旋桨的伴流。

步骤4：针对螺旋桨几何参数，模型在笛卡尔坐标系下，x轴沿螺旋桨的旋转轴指向下游，z轴为某一叶片的母线方向。采用双曲四边形面元对螺旋桨桨叶和尾涡面进行离散，弦向采用余弦分布60个面元，径向采用多项式分布25个面元，建立如图2所示的螺旋桨面元计算模型。

步骤5：建立基于势流理论的螺旋桨扰动速度势方程

其中S_B为桨叶表面，S_W是尾涡面，n为边界的单位法向量，G(p,q)在三维定义为-1/R(p,q)，R(p,q)为点p和点q之间的距离，q点遍历区域边界S_B或S_W。将方程离散化，采用等压库塔条件封闭方程，并根据步骤3的速度边界条件求解上述方程，获得螺旋桨桨叶表面压力分布和伴流提取面上的诱导速度。

步骤6：根据螺旋桨桨叶压力面和吸力面表面压力分布，采用基于等效半径的映射方法，将桨叶表面压力负载转换成粘性流场中三维网格的体积力分布，保证粘性流场中体积力与螺旋桨桨叶推力相等。

如图3所示，各个面元以其控制点为中心，等效半径与面元尺寸有关，以三角形为中心的粘性流场单元，三角形中心在等效半径内表示该单元分配相应面元的力，面元上的力按照体积比例分布在这些受作用的粘性网格单元中。如果没有单元中心位于面元的影响范围内，则选择距离最近的体积单元来分配面元上的力。另外图中阴影部分受多个面元的影响。通过这种体积力映射方法，在粘性流场中体积力作用区域能准确地表达桨叶的形状。

步骤7：用FORTRAN编译将体积力以源项的形式添加到公式(2)中，生成dll文件，建立动态链接库，实现势流计算到粘流计算的数据传输。重新求解步骤2的RANS方程，更新计算结果。

步骤8：返回步骤3，使用FORTRAN编译重新提取伴流曲面上的粘性流场速度结果，并结合步骤5的诱导速度计算结果建立动态编译库，实现粘流计算到势流计算的数据传输，数据传输过程如图4所示，重新进行步骤5的势流计算。

步骤9：判断螺旋桨桨叶推力与有效伴流计算是否达到收敛标准，若满足，则耦合结束，若不满足，则继续进行步骤6计算。

以上所述的具体实施方式的描述，对发明的目的、技术方案以及有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在三维建模软件中建立导管的几何模型，在网格划分软件中建立导管的流体计算域并划分网格；

步骤2：建立基于RANS方程的流体计算模型，通过导入步骤1中不考虑螺旋桨的导管流域网，设置边界条件、求解参数以及湍流模型，求解RANS方程，获得没有螺旋桨作用的导管流场结果；

步骤3：在螺旋桨上游建立距离螺旋桨足够近的轴向位置处建立与桨叶的导边形状相似的弯曲面，在步骤2的流场结果中提取此曲面上的速度信息，用来评估螺旋桨的伴流；

步骤4：针对螺旋桨几何参数，模型在笛卡尔坐标系下，x轴沿螺旋桨的旋转轴指向下游，z轴为某一叶片的母线方向；采用双曲四边形面元对螺旋桨桨叶和尾涡面进行离散，建立螺旋桨面元计算模型；

步骤5：建立基于势流理论的螺旋桨扰动速度势方程，将方程离散化，采用等压库塔条件封闭方程，并根据步骤3的速度边界条件求解上述方程，获得螺旋桨桨叶表面压力分布和伴流提取面上的诱导速度；

步骤6：根据螺旋桨桨叶压力面和吸力面表面压力分布，采用基于等效半径的映射方法，将桨叶表面压力转换成粘性流场中三维网格的体积力分布，保证粘性流场中体积力与螺旋桨桨叶推力相等，体积力作用区域能准确地表达桨叶的形状；

步骤7：用FORTRAN编译将体积力以源项的形式添加到公式(2)中，生成dll文件，建立动态链接库，实现势流计算到粘流计算的数据传输；重新求解步骤2的RANS方程，更新计算结果；

步骤8：返回步骤3，使用FORTRAN编译重新提取伴流曲面上的粘性流场速度结果，并结合步骤5的诱导速度计算结果建立动态编译库，实现粘流计算到势流计算的数据传输，重新进行步骤5的势流计算；

步骤9：判断螺旋桨桨叶推力与有效伴流计算是否达到收敛标准，若满足，则耦合结束，若不满足，则继续进行步骤6计算。

2.根据权利要求1所述的一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，其特征在于步骤2中在螺旋桨上游建立距离螺旋桨导边0.05D轴向位置处建立与螺旋桨导边线为母线旋转一周而形成的弯曲面，此曲面在轴向的投影为直径为D的圆盘面，其中D为螺旋桨直径。

3.根据权利要求1所述的一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，其特征在于步骤5中螺旋桨扰动速度势方程：

其中S_B为桨叶表面，S_W是尾涡面，n为边界的单位法向量，G(p,q)在三维定义为-1/R(p,q)，R(p,q)为点p和点q之间的距离，q点遍历区域边界S_B或S_W。

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