一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，包括：进行不同工况的桨后流场仿真，仿真采用不带舵的全附体船舶模型，获得沿舵杆不同位置处的理论偏转角度θ

【技术实现步骤摘要】
一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法


[0001]本专利技术涉及船舶总体设计
，具体涉及一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法。

技术介绍

[0002]扭曲舵是一种特殊形式的舵。早在二十世纪三十年代J.Turin就提出了扭曲舵的思想，从20世纪30年代至今一直有人从事这方面的理论和实验研究工作。其基本思想是通过舵形状的改变，使之与螺旋桨尾流场的配合更加合理。Yang T.Shen针对伯克级驱逐舰的空泡剥蚀问题设计了以减少舵表面空蚀面积的扭曲舵，显著减弱了推进器对舵的水流冲击，并减少紊流，从而降低空泡对舵表面的剥蚀，美国海军开展的空泡水洞模型试验结果表明，在航速超过30节时舵才出现空泡现象，而该舰原有的舵在23节时就已出现空泡，实船试验结果也验证了设计的有效性。
[0003]目前扭曲舵的设计大多采用势流方法或者粘流方法对敞水桨进行仿真，并根据仿真得到的流场进行扭曲舵的设计，如叶金铭等的研究。目前的扭曲舵设计方法存在以下几方面的不足：一是，上述方法采用的是简化的模型，无法考虑船体、附体和桨的相互作用、黏性作用和自由液面的影响，因而得到的输入不够精确；二是，受目前仿真能力的制约，无法考虑尺度效应等因素的影响，对复杂艉流场下的大攻角失速现象模拟不够精确，导致设计状态与实船状态存在偏差；三是，目前仅针对设计点进行扭曲舵的设计，未考虑其他状态的兼容性。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，该方法考虑了船
‑
桨
‑
附体相互作用、不确定性因素影响和多工况均衡对扭曲舵的设计需求。
[0005]本专利技术为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
[0006]一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，包括以下步骤：
[0007]S1、进行不同工况的桨后流场仿真，仿真采用不带舵的全附体船舶模型，包含了除舵之外的全部附体，采用RBM方法结合滑移网格技术完成螺旋桨在船后附体环境下的CFD流场仿真，通过仿真获得沿舵杆不同位置处的理论偏转角度θ
i
；
[0008]S2、根据不同工况的重要程度确定权重系数w
i
，采用加权平均方法计算舵杆不同位置处的加权后的偏转角度θ'；
[0009]S3、通过回调系数对所述加权后的偏转角度θ'进行修正，得到舵杆不同位置处的修正后的偏转角度θ”；所述回调系数包括尺度效应的影响、CFD计算误差的影响和复杂海况下其他因素的影响；
[0010]S4、光顺步骤S3中得到的舵杆不同位置处修正后的偏转角度θ”，得到设计偏转角度，将舵杆不同位置处的舵剖面按设计偏转角度偏转，通过扫略建立扭曲舵的三维几何模
型；
[0011]S5、对设计得到的扭曲舵进行CFD流场仿真，仿真方法同S1，获取其表面压力分布，检验抗空化效果。
[0012]上述方案中，步骤S1中，所述不同工况包括不同航速和不同载况。
[0013]上述方案中，步骤S1中，仿真采用CFD方法，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST K
‑
Omega模型；两相流模型为VOF；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；时间离散采用一阶隐式格式；压力与速度的耦合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。
[0014]上述方案中，步骤S1中，所述舵杆不同位置沿舵杆中心线均匀分布。
[0015]上述方案中，步骤S2中，舵杆某一处的加权后的偏转角度θ'通过下式计算：
[0016][0017]其中，w
i
为第i个工况的权重系数，θ
i
为步骤S1得到的第i个工况的理论偏转角度。
[0018]上述方案中，步骤S3中，修正后的偏转角度θ”的计算公式如下：
[0019]θ
″
＝k
·
θ
′ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0020]k＝k1·
k2·
k3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0021]其中，k为回调系数，由k1、k2、k3组成；k1表示尺度效应的影响，根据工程经验，在0.85
‑
0.95范围内选取；k2表示CFD计算误差的影响，根据工程经验，在0.9
‑
0.95范围内选取；k3表示复杂海况下其他因素的影响，根据工程经验，在0.9
‑
1.0范围内选取。
[0022]本专利技术的有益效果在于：
[0023]1、本专利技术方法考虑了船
‑
桨
‑
附体相互作用、不确定性因素影响和多工况均衡对扭曲舵的设计需求。在船
‑
桨
‑
附体相互作用方面，本专利技术采用RBM方法结合滑移网格技术完成螺旋桨在船后附体环境下的CFD流场仿真，将流线结果作为扭曲舵设计的输入；为考虑不确定性因素的影响，防止出现扭曲舵的过设计，本专利技术通过回调系数对理论设计得到的扭曲舵进行修正，不确定性因素主要包括尺度效应、CFD计算误差、实际复杂环境下波浪与船舶运动等其他因素的影响；为权衡不同工况对扭曲舵的设计需求，采用加权平均方法进行扭曲舵偏转角的计算。
[0024]2、本专利技术采用最先进的CFD仿真技术，设计结果更加精确，同时考虑了不确定性，规避了扭曲舵的研制风险。
附图说明
[0025]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0026]图1是本专利技术实施例中CFD流场仿真计算采用的长方体流域示意图。
[0027]图2是本专利技术实施例中CFD流场仿真计算网格示意图；
[0028]图3是本专利技术实施例中测点分布图；
[0029]图4是本专利技术实施例中每个测点截面处的偏转角度的理论值和修正值的示意图；
[0030]图5是本专利技术实施例中得到的扭曲舵的三维模型图；
[0031]图6是普通舵和扭曲舵的压力分布对比图。
具体实施方式
[0032]为了对本专利技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本专利技术的具体实施方式。
[0033]本专利技术提出了一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，包括以下步骤：
[0034]S1、进行不同工况(包括不同航速、不同载况)的桨后流场仿真，通过仿真获得沿舵杆不同位置处的理论偏转角度θ
i
。
[0035]仿真采用不带舵的全附体船舶模型，包含了除舵之外的全部附体。仿真采用CFD方法，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST K
‑
Omega模型。两相流模型为VOF。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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、进行不同工况的桨后流场仿真，仿真采用不带舵的全附体船舶模型，包含了除舵之外的全部附体，采用RBM方法结合滑移网格技术完成螺旋桨在船后附体环境下的CFD流场仿真，通过仿真获得沿舵杆不同位置处的理论偏转角度θ
i
；S2、根据不同工况的重要程度确定权重系数w
i
，采用加权平均方法计算舵杆不同位置处的加权后的偏转角度θ'；S3、通过回调系数对所述加权后的偏转角度θ'进行修正，得到舵杆不同位置处的修正后的偏转角度θ”；所述回调系数包括尺度效应的影响、CFD计算误差的影响和复杂海况下其他因素的影响；S4、光顺步骤S3中得到的舵杆不同位置处修正后的偏转角度θ”，得到设计偏转角度，将舵杆不同位置处的舵剖面按设计偏转角度偏转，通过扫略建立扭曲舵的三维几何模型；S5、对设计得到的扭曲舵进行CFD流场仿真，仿真方法同S1，获取其表面压力分布，检验抗空化效果。2.根据权利要求1所述的考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，所述不同工况包括不同航速和不同载况。3.根据权利要求1所述的考虑不确定性因素的扭曲舵优化设计方法，其特征在于，步骤S1中，仿真采用CFD方法，基本方程为RANS方程，湍流模型采用SST K
‑
Omega模型；两相流模型为VOF；数值离散方法为有限体积法，对流项采用二阶迎风格式，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈思，王瑾，黄金森，解学参，胡玉龙，
申请(专利权)人：中国舰船研究设计中心，
类型：发明
国别省市：