CN114611214A - 基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，通过Fortran程序实现螺旋桨型值点二维到三维的坐标变换，自动输出PROE软件建模的各切面型线ibl文件，执行PROE建模螺旋桨的脚本，自动拟合曲面完成快速建模；基于螺旋桨三维模型，利用STARCCM+建立了螺旋桨定常水动力性能的高精度数值预报方法，本发明能够高效准确建立螺旋桨三维模型，重复性好，计算精度高。
Description
技术领域
本发明属于船舶螺旋桨的技术领域，尤其涉及一种基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法。
背景技术
螺旋桨是船舶的主要推进装置，高效准确地建立螺旋桨三维模型，是开展螺旋桨强度、水动力性能、噪声空化性能分析以及加工工艺设计的基础，也是提高螺旋桨设计效率的关键技术。螺旋桨型面复杂，为变截面扭曲曲面，研究其三维建模有较大的实用意义。
在准确建模的基础上，开展螺旋桨水动力学研究是设计的重要内容，基于面元法的势流理论在螺旋桨设计方面应用广泛，但势流理论忽略了粘性力，导致在研究尺度效应的影响、桨叶表面边界层和尾流涡的结构和力学机理等问题时，无法定量给出计算结果。
基于粘流理论的CFD方法近年来成为主流研究方向，成功进行CFD仿真的关键在与网格是否易于生成以及网格质量和类型。目前螺旋桨粘流计算的常用软件有FLUENT、NUMECA、STARCCM+等，其中使用FLUENT、NUMECA软件划分网格时，步骤较为复杂、工作量大，难以适应快速设计需要，而基于STARCCM+，设置网格策略后，可快速自动生成网格，且重复性好，为螺旋桨性能评估提供了一种高效响应的选择。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)通过Fortran程序输出螺旋桨建模所需的型值点输入文件；
S2)执行PROE建模螺旋桨的脚本，自动拟合桨叶曲面，实现高效准确建模；
S3)利用STARCCM+，导入螺旋桨三维模型，确定开展粘性流敞水计算，划分网格，启动计算。
按上述方案，步骤S1中包括如下具体内容：
利用Fortran语言编程，实现螺旋桨型值点数据的坐标变换，并通过编程自动整理输出PROE软件建模的桨叶的ibl文件，该文件表达了各叶切面处型值点的三维坐标。
按上述方案，所述坐标变换包括如下内容：
以螺旋桨轮毂中心线为X轴，正方向指向桨叶压力面，代表来流方向，桨叶参考线OP与X轴的交点为原点O，OP在过原点与X轴垂直的平面上投影为Y轴，右手定则确定Z轴，推导出二维切面坐标到三维笛卡尔坐标的转换公式：
X＝rtanα+(-LL+L1)sinβ-ycosβ
Y＝rcosλ
Z＝rsinλ，其中，r为切面半径，α为纵斜角，LL为导边到参考线的距离，L1为型值点在切面展开图上距导边的距离，β＝arctan(P/2r)为螺距角，P为切面螺距，λ为型值点、原点连线与Y轴间的夹角，λ＝[-LL+L1)cosβ+ysinβ]/r。
按上述方案，步骤S2中包括如下具体内容：
利用Fortran语言生成PROE执行建模螺旋桨的脚本，并直接调用该脚本，该脚本执行过程为读取步骤S1Fortran程序输出的螺旋桨型值点的ibl文件，软件自动拟合各叶切面型值点，形成闭合的切面曲线；利用PROE的边界混合功能，依次拟合吸力面和压力面；通过拉伸命令形成轮毂，通过阵列命令，得到五片桨叶；实现在无人工干预的条件下自动生成螺旋桨三维高曲率几何曲面。
按上述方案，步骤S3中所述粘性流敞水计算设置如下：
物理模型为单相流模型，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST k-模型，数值离散方法为有限体积法，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，压力与速度的求解采用基于压力修正方程的SIMPLE算法，近壁面的处理采用All y+Wall Treatment方法，对于螺旋桨转动的仿真采用MRF方法，内域的参考系为转动参考系，采用全通道计算域，在划分网格外域采用非结构化六面体网格，内域采用非结构化四面体网格。
本发明的有益效果是：提供一种基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，通过Fortran语言编程，实现螺旋桨型值点二维到三维的坐标变换，自动输出PROE软件建模的各切面型线ibl文件，生成并执行PROE建模螺旋桨的脚本，在无人工干预的条件下，自动拟合桨叶曲面完成高效准确建模；基于螺旋桨三维模型，利用STARCCM+建立了定常水动力性能的数值预报方法，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST k-模型，采用MRF方法，内域采取了局部加密的非结构化四面体网格，本方法在螺旋桨三维模型有变动时，只需替换模型，便可重新按照原设置，自动生成网格，方便快捷，计算精度在5％以内，满足工程设计需求。
附图说明
图1为本发明一个实施例的桨叶切面展开图。
图2a为本发明一个实施例的螺旋桨X向空间坐标示意图。
图2b为本发明一个实施例的螺旋桨Y向、Z向空间坐标示意图。
图3为本发明一个实施例的桨叶切面曲线输入的界面图。
图4a为本发明一个实施例的桨叶切面曲线图。
图4b为本发明一个实施例的桨叶曲面拟合图。
图5为本发明一个实施例的螺旋桨模型图。
图6为本发明一个实施例的CFD仿真计算域示意图。
图7为本发明一个实施例的网格划分示意图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明提供一种基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，具体内容如下：
(1)快速准确建立螺旋桨三维模型，为水动力性能评估提供输入；
第一步，利用Fortran语言编程，实现螺旋桨型值点数据的坐标变换，并通过编程自动整理输出PROE软件建模的桨叶的ibl文件，该文件表达了各叶切面处型值点的三维坐标；
以螺旋桨轮毂中心线为X轴，正方向指向桨叶压力面，代表来流方向，桨叶参考线0P与X轴的交点为原点O，OP在过原点与X轴垂直的平面上投影为Y轴，右手定则确定Z轴，如图2a、图2b所示。
推导出二维切面坐标到三维笛卡尔坐标的转换公式：
X＝rtanα+(-LL+L1)sinβ-ycosβ
Y＝rcosλ
Z＝rsinλ，其中，r为切面半径，LL为导边到参考线的距离，L1为型值点在切面展开图上距导边的距离(见图1)，β＝arctan(P/2r)为螺距角，λ＝[-LL+L1)cosβ+ysinβ]/r。
ibl格式如图3；
第二步，利用Fortran语言生成PROE执行建模螺旋桨的脚本，并可以直接调用该脚本，该脚本执行过程为读取第一步Fortran程序输出的螺旋桨型值点的ibl文件，软件自动拟合各叶切面型值点，形成闭合的切面曲线(见图4a)；利用PROE的边界混合功能，依次拟合吸力面和压力面(见图4b)；通过拉伸命令形成轮毂，通过阵列命令，得到五片桨叶；实现在无人工干预的条件下自动生成螺旋桨三维高曲率几何曲面(见图5)。
(2)基于STARCCM+建立了求解粘流中螺旋桨的定常敞水性能的数值仿真方法，具体如下：
将基于上述方法建立的螺旋桨三维几何模型，导入STARCCM+零部件开展粘性流敞水计算，设置如下：物理模型为单相流模型，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST k-模型。数值离散方法为有限体积法，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式。压力与速度的求解采用基于压力修正方程的SIMPLE算法。近壁面的处理采用All y+Wall Treatment方法。对于螺旋桨转动的仿真采用MRF方法(多重参考系法)，内域的参考系为转动参考系。
采用全通道计算域，高质量的网格时数值模型成功的关键，过疏或过密都会影响计算结果。本文在划分网格外域采用非结构化六面体网格，内域采用非结构化四面体网格，并在叶稍，导边、随边处网格加密处理，以捕捉重要的流场信息。通过改变入流速度大小，保持转速不变获得均匀流场。
螺旋桨几何模型有变动时，只需在STARCCM+几何-零部件中替换螺旋桨三维模型，其他设置通用，可重新自动生成网格，启动计算。
实施例1
如图6、图7所示，设定螺旋桨模型直径D为0.25m，外域的速度入口距桨盘面3.2D，出口距桨盘面8.0D，半径6D，内域圆柱体前后表面距桨盘面0.4D，圆柱体半径0.5D。
经过网格收敛性分析，桨叶表面最小网格尺寸取为0.005D，加密区域最小网格尺寸为0.002D，为控制总网格数，避免流场变化平缓区的计算资源浪费，将外域网格密度降低，网格尺寸为0.3D，全域网格数目约为200万。
建模和敞水性能计算方法精度验证：
通过该仿真方法，分别对某型定距桨、调距桨进行水动力仿真、试验结果的验证。
| 进速系数 | KT相对误差 | KQ相对误差 | η<sub>0</sub>相对误差 |
| 0.7 | 0.14％ | 2.20％ | -2.02％ |
| 0.8 | 1.40％ | 3.77％ | -2.29％ |
| 0.9 | 1.75％ | 4.31％ | -2.46％ |
| 1 | 0.19％ | 4.14％ | -3.79％ |
| 1.1 | -0.67％ | 4.31％ | -4.78％ |
| 进速系数 | KT相对误差 | KQ相对误差 | η<sub>0</sub>相对误差 |
| 0.6 | 2.12％ | 1.64％ | 0.52％ |
| 0.7 | 2.13％ | 2.03％ | 0.13％ |
| 0.8 | 1.09％ | 1.80％ | -0.63％ |
| 0.9 | -0.95％ | 1.01％ | -1.88％ |
基于两种类型的螺旋桨，对敞水性能仿真方法进行验证，计算误差均在5％以内，满足工程使用需求。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)通过Fortran程序输出螺旋桨建模所需的型值点输入文件；
S2)执行PROE建模螺旋桨的脚本，自动拟合桨叶曲面，实现高效准确建模；
S3)利用STARCCM+，导入螺旋桨三维模型，确定开展粘性流敞水计算，划分网格，启动计算。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，其特征在于，步骤S1中包括如下具体内容：
利用Fortran语言编程，实现螺旋桨型值点数据的坐标变换，并通过编程自动整理输出PROE软件建模的桨叶的ibl文件，该文件表达了各叶切面处型值点的三维坐标。
3.根据权利要求2所述的基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，其特征在于，所述坐标变换包括如下内容：
以螺旋桨轮毂中心线为X轴，正方向指向桨叶压力面，代表来流方向，桨叶参考线OP与X轴的交点为原点O，OP在过原点与X轴垂直的平面上投影为Y轴，右手定则确定Z轴，推导出二维切面坐标到三维笛卡尔坐标的转换公式：
X＝rtanα+(-LL+L1)sinβ-ycosβ
Y＝rcosλ
Z＝rsinλ，其中，r为切面半径，α为纵斜角，LL为导边到参考线的距离，L1为型值点在切面展开图上距导边的距离，β＝arctan(P/2r)为螺距角，P为切面螺距，λ为型值点、原点连线与Y轴间的夹角，λ＝[-LL+L1)cosβ+ysinβ]/r。
4.根据权利要求2或3所述的基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，其特征在于，步骤S2中包括如下具体内容：
利用Fortran语言生成PROE执行建模螺旋桨的脚本，并直接调用该脚本，该脚本执行过程为读取步骤S1Fortran程序输出的螺旋桨型值点的ibl文件，软件自动拟合各叶切面型值点，形成闭合的切面曲线；利用PROE的边界混合功能，依次拟合吸力面和压力面；通过拉伸命令形成轮毂，通过阵列命令，得到五片桨叶；实现在无人工干预的条件下自动生成螺旋桨三维高曲率几何曲面。
5.根据权利要求4所述的基于螺旋桨高效建模的敞水性能仿真方法，其特征在于，步骤S3中所述粘性流敞水计算设置如下：
物理模型为单相流模型，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST k-模型，数值离散方法为有限体积法，对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用二阶中心差分格式，压力与速度的求解采用基于压力修正方程的SIMPLE算法，近壁面的处理采用Ally+Wall Treatment方法，对于螺旋桨转动的仿真采用MRF方法，内域的参考系为转动参考系，采用全通道计算域，在划分网格外域采用非结构化六面体网格，内域采用非结构化四面体网格。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117574551A (zh) * | 2024-01-15 | 2024-02-20 | 武汉理工大学 | 一种推进器螺旋桨的设计方法、装置、设备及存储介质 |
| CN117574551B (zh) * | 2024-01-15 | 2024-04-19 | 武汉理工大学 | 一种推进器螺旋桨的设计方法、装置、设备及存储介质 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114611214B (zh) | 2024-05-07 |
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