一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法技术

本发明专利技术公开了一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，属于螺旋桨优化设计领域。一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，包括以下步骤：(a)基本网格确定；(b)精细网格确定；(c)最优网格确定；(d)利用最优网格预报所需工况条件下的梢涡空化。本发明专利技术针对螺旋桨梢涡空化进行数值预报；通过与相关实验结果对比，本发明专利技术较为有效地预报了E779A型螺旋桨在几种不同工况下的梢涡空化，因此，本发明专利技术对螺旋桨设计中空化性能的预测与评估具有重要作用，可有效减少设计成本和设计周期，其应用前景非常好。

【技术实现步骤摘要】
一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法
本专利技术涉及螺旋桨优化设计领域，具体地说，一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法。
技术介绍
螺旋桨空化不仅会降低螺旋桨性能,产生空化剥蚀,导致船体振动,而且会产生足以暴露自己的空化噪声。随着现代船舶对负荷和船速的要求越来越高，螺旋桨空化现象难以避免。而梢涡空化常常是螺旋桨最早出现的空化，其现象的准确预报可以对空化初生的判断提供重要依据。梢涡空化的数值预报也是最难实现的空化数值预报之一。数值捕获梢涡空泡，并获取其周围流场的压力、速度和流场结构在内的全面空化流场信息可以进一步增强对噪声产生机理的认识。梢涡空化一直是众多相关学者的的研究热点和难点，也是推进器设计制造乃至造船行业所关注的热点之一。目前，对空化流场的研究主要有实验和数值分析两种方法。完全依赖实验存在耗资费时、螺旋桨模型修改不方便以及传感器在流场中的安装会对流场造成影响等不足。近年来，随着计算机技术的快速发展，计算机运算能力的大大提高，使得利用现代计算流体力学对梢涡空化进行数值预报成为可能，数值预报成为空化预报的重要手段。现在对螺旋桨空化数值模拟较为成功是片空化，而梢涡空化(tipvortexcavitation)数值预报难度较大。目前常用的预报方法为，通过确立合理的计算域空间，建立高质量的网格，选用合适的湍流模型和空化模型，在基于混合多相流模型的基础上求解雷诺应力RANS方程得到螺旋桨周围流场的数值解，已经能基本实现螺旋桨空化的数值预报，但是梢涡空化的预报效果不明显。目前，国外对梢涡空化研究主要侧重于水翼。美国DynaflowInc.公司将修正的球形空泡动力学模型(Rayleigh–Plesset)和非球形空泡动力学模型相结合，并内置到UnRANS方程求解器中进行求解，对梢涡空化初生现象进行数值预报，他们考虑到流场中空化核的尺寸和空间分布对空化初生的影响。韩国首尔大学研究人员采用Eulerian–Lagrangian方法，并同样考虑空泡核的尺寸分布特征对梢涡空化及其空化噪声进行了数值分析。挪威研究人员利用商业软件Fluent软件对NACA水翼的梢涡空化进行了数值模拟，其结果与实验结果较为一致。此外，瑞典研究人员利用大涡模拟方法对螺旋桨空化进行了数值预报，其螺旋桨梢涡空化预报结果与实验现象较为一致，但片空化预报区域明显比实验显示结果大。所以，急需一种能够有效的预报螺旋桨梢涡空化的数值预报方法。
技术实现思路
螺旋桨梢涡空化主要特征有：1.在螺旋桨各种空化形式中，梢涡空化常常最早出现，并伴随着空化初生现象；2.在尾流场中螺旋桨叶梢附近产生，沿轴向呈现螺旋线形状分布，且痕迹较长；3.在梢涡中心线区域有强烈的涡旋运动，并产生强烈的低压；4.梢涡最初在叶梢附近产生，在脱离桨叶后，梢涡的螺旋线半径会进行收缩；5.梢涡会随着螺旋桨尾流的涡面结构向尾流方向进行滑溜；6.梢涡空化发出的噪声一般分布在中高频段，其频谱呈现连续特征。本专利技术的原理就是依据上述的梢涡空化的主要特征，综合使用空化模型、湍流模型和混合两相流模型来数值求解纳维—斯托克斯(N-S)方程组，得到螺旋桨流体环境中的压力、速度和反映空化的汽相体积分数等各项物理参数值，本专利技术提供一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，可对螺旋桨设计中空化性能进行预测与评估。本专利技术采用如下技术方案：一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，包括以下步骤：(a)基本网格确定；(b)精细网格确定；(c)最优网格确定；(d)利用最优网格预报所需工况条件下的梢涡空化。本专利技术方法的具体实现方式包括以下步骤：步骤一，利用建模软件建立螺旋桨三维几何模型，并将其导入网格划分软件。步骤二，在网格划分软件中建立三种备选网格，并将其导入计算程序：三种备选网格的计算域相同，计算域为圆柱形，其速度入流边界距离螺旋桨中心为1.5D，D为螺旋桨直径，下游压力出口边界距离为5D，螺旋桨中心至侧面外围距离为2.5D，三种备选网格的网格数量逐渐增加，分别约为200万、300万和400万。步骤三，空化模型和湍流模型设定：采用全空化模型和重整化群湍流模型(RNGk-ε湍流模型)，并对其重要参数进行修正，对空化模型中相变率参数的修正和湍流模型中湍流黏度系数的修正采用C语言编写，再利用宏调用(DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY等)形式嵌入计算程序。步骤四，数值计算参数设定：数值参数设定包括工况条件、边界条件和数值算法的相关参数设定；工况条件主要设定螺旋桨旋转速度，环境压力和入流速度值，从而确定螺旋桨无量纲参数，即进速系数(J)和空化数(σn)；对于边界条件设定，速度入口边界采用入流速度值，远场边界条件同样采用入流速度值设定，下游压力出口界面的出口压力设置为静压力；对于数值算法，纳维—斯托克斯(N-S)方程中对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采用二阶中心差分格式离散，速度压力耦合采用适合非结构网格的SIMPLE算法，使用逐点Gauss-Seidel迭代求解离散方程，利用代数多重网格加速计算收敛，对于非定常计算采用滑动网格计算技术，提高计算的准确性。由于多相流模型、空化模型和滑动网格计算对计算机资源消耗较大，采用并行计算技术来缩短计算时间；质量守恒连续性(continuity)残差收敛标准为三阶，方程中其它物理量残差收敛标准为四阶，利用单相流的收敛解作为多项流求解的初始值，并将稳态解作为非稳态计算的初始值，为了确保计算收敛，螺旋桨旋转速度逐步加大到预定值，并适当缩小松弛因子。Navier-Stokes方程，也称纳维—斯托克斯方程，简称N-S方程。下面表达式为张量形式的N-S方程，其中下标k与j,i一样表示坐标轴。式中，μ为流体的动力黏度，δij为“KroneckerDelta”张量。步骤五，进行数值计算：由于空化模型加入N-S方程后，计算的稳定性降低，容易出现奇异现象。因此，为了能使数值计算平稳进行，采用逐级分步骤的计算过程。具体来说，在螺旋桨工况参数中，环境压力和入流速度可以直接设定到工况值，而螺旋桨转速采用分级增加，直到增加到预定工况值。另外，先计算无空化模型流场分布，等到计算稳定后再打开空化模型。先对压力、密度、动量和汽相分数等参数进行一阶精度离散格式计算，计算稳定后，再将离散精度提高到二阶或QUCIK等。为了保证二阶计算的稳定性，将亚松弛因子适当降低。压力、动量、汽相分数、湍流动能、湍流耗散率和湍流黏性等参数的亚松弛因子分别设定为：0.25、0.6、0.2、0.7、0.7、0.9。步骤六，根据水动力数值结果确立基本网格：利用这三种备选网格对螺旋桨水动力进行数值计算，并对计算结果进行分析；当水动力参数(推力系数和转矩系数)的计算结果随着网格数增加后趋于平稳后，则认为数值计算随着网格增加而趋于稳定，则选定计算稳定后网格数量最少的网格作为基本网格。步骤七，将基本网格的文件导入网格划分软件。步骤八，在基本网格的基础上，根据梢涡形状模型，利用网格划分软件建立梢涡区域网格：首先，根据等距螺旋线模型在专业建模工具中建立一个与模型参数相符的螺旋线形状的管道区域几何模型，这个区域是假定的梢涡空化发生区域，再将螺旋线几何形状模型导入基本网格中，并进行网格划分，等距螺旋线形状区域网格从临近桨叶叶梢开始，等距螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)基本网格确定；(b)精细网格确定；(c)最优网格确定；(d)利用最优网格预报所需工况条件下的梢涡空化。

【技术特征摘要】
1.一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)基本网格确定；(b)精细网格确定；(c)最优网格确定；(d)利用最优网格预报所需工况条件下的梢涡空化；所述的基本网格确定，包括以下具体步骤：步骤一，利用建模软件建立螺旋桨三维几何模型，并将其导入网格划分软件；步骤二，在网格划分软件中建立三种备选网格，并将其导入计算程序：三种备选网格的计算域相同，计算域为圆柱形，其速度入流边界距离螺旋桨中心为1.5D，D为螺旋桨直径，下游压力出口边界距离为5D，螺旋桨中心至侧面外围距离为2.5D，三种备选网格的网格数量逐渐增加，分别为200万、300万和400万；步骤三，空化模型和湍流模型设定：采用全空化模型和重整化群湍流模型，即RNGk-ε湍流模型，并对其重要参数进行修正，对空化模型中相变率参数的修正和湍流模型中湍流黏度系数的修正采用C语言编写，再利用宏调用DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY形式嵌入计算程序；步骤四，数值计算参数设定：数值参数设定包括工况条件、边界条件和数值算法的相关参数设定；工况条件主要设定螺旋桨旋转速度，环境压力和入流速度值，确定螺旋桨无量纲参数，即进速系数J和空化数σn；对于边界条件设定，速度入口边界采用入流速度值，远场边界条件采用入流速度值设定，下游压力出口界面的出口压力设置为静压力；对于数值算法，纳维—斯托克斯(N-S)方程中对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采用二阶中心差分格式离散，速度压力耦合采用适合非结构网格的SIMPLE算法，使用逐点Gauss-Seidel迭代求解离散方程，利用代数多重网格加速计算收敛，对于非定常计算采用滑动网格计算技术，计算过程中采用并行计算技术；方程中的质量守恒连续性残差收敛标准为三阶，方程中其它物理量残差收敛标准为四阶，利用单相流的收敛解作为多项流求解的初始值，并将稳态解作为非稳态计算的初始值，为了确保计算收敛，螺旋桨旋转速度逐步加大到预定值，并适当缩小松弛因子；步骤五，进行数值计算：采用逐级分步骤的计算过程，在螺旋桨工况参数中，环境压力和入流速度可以直接设定到工况值，而螺旋桨转速采用分级增加，直到增加到预定工况值；先计算无空化模型流场分布，等到计算稳定后再打开空化模型，先对压力、密度、动量和汽相分数参数进行一阶精度离散格式计算，计算稳定后，再将离散精度提高到二阶或QUCIK，为了保证二阶计算的稳定性，将亚松弛因子适当调整降低；步骤六，根据水动力数值结果确立基本网格：利用这三种备选网格对螺旋桨水动力进行数值计算，并对计算结果进行分析；当水动力参数，即推力系数和转矩系数的计算结果随着网格数增加后趋于平稳后，则认为数值计算随着网格增加而趋于稳定，则选定网格数量最少的网格作为基本网格；所述的精细网格确定，包括以下具体步骤：步骤七，将基本网格的文件导入网格划分软件；步骤八，在基本网格网格的基础上，根据梢涡形状模型，利用网格划分软件建立梢涡区域网格：首先，根据等距螺旋线数学模型在专业建模工具中建立一个与模型参数相符的螺旋线形状的管道区域几何模型，这个区域是假定的梢涡空化发生区域，再将螺旋线几何形状模型导入基本网格中，并进行网格划分，等距螺旋线形状区域网格从临近桨叶叶梢开始，等距螺旋线半径预设为0.82R，螺旋线区域的单元网格尺寸为0.0001D，原基本网格单元尺寸不变；步骤九，重复步骤三的空化模型和湍流模型设定，步骤四的数值计算参数设定和步骤五的进行数值计算；步骤十，根据梢涡空化数值预报结果确立精细网格：这一步骤主要...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱志峰，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34