【技术实现步骤摘要】
一种复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合性能预测方法
[0001]本专利技术涉及一种复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合性能预测方法，适用于基于双向流固耦合算法的复合材料螺旋桨的水动力性能及空化性能预测，属于复合材料螺旋桨性能预测
技术介绍
[0002]为了提升螺旋桨的水动力性能和振动噪声性能，增加螺旋桨的使用寿命，国内外众多学者对新型水力机械的制造材料进行了各方面的研究。由于纤维增强复合材料具有和合金材料相似的高比强度和高比刚度，并同时具备各向异性以及优越的阻尼性能，因此适用于在复杂的水下环境下服役的各种水动力机械。与传统金属螺旋桨相比，复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下的显现的流固耦合特性，能够使得螺旋桨的螺距角发生改变，抑制空泡的产生，从而提升螺旋桨的水动力性能。由于复合材料螺旋桨桨叶的复杂外形结构和内部铺层结构的多样性，复合材料螺旋桨的空化流固耦合性能预测十分困难。由于大尺度的螺旋桨的加工困难，螺旋桨的水动力性能的实验往往通过模型试验，但模型试验的设备依然造价昂贵，并且存在尺度效应，因此发展理论方法预测复合材料螺...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合性能预测方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一：对刚性螺旋桨进行稳态流场的初值计算；针对刚性螺旋桨的流场进行定常的初值计算，设置螺旋桨工作的螺旋桨旋转速度及来流速度，获得定常流场的初值数据；流体稳态求解的控制方程通过质量守恒方程和动量守恒方程表示：恒方程表示：式中：下标i,j代表坐标方向，u为速度矢量，ρ为流体密度，p为流场压力，v为运动粘性系数，f
i
为单位体积质量力，δ
ij
为克罗内克函数；步骤二：建立复合材料螺旋桨结构有限元模型；基于刚性螺旋桨的几何尺寸参数，建立复合材料螺旋桨几何模型；以刚性螺旋桨的几何轮廓约束复合材料的纤维铺层，基于有限元软件依据复合材料螺旋桨的铺层顺序，逐层设置复合材料螺旋桨的铺层材料厚度及材料属性，输入每层纤维布的密度ρ、弹性模量E、剪切模量G、泊松比υ，建立复合材料螺旋桨的有限元模型；复合材料螺旋桨截面面内力、弯矩与面内应变和曲率满足如下关系式：式中：[N]代表面内力，[M]为弯矩，ε
°
和κ为中面应变和中面曲率，[A]、[B]、[D]矩阵分别为面内刚度矩阵、耦合刚度矩阵和弯曲刚度矩阵；步骤三：将定常流场的初值数据通过流固耦合交界面传递给结构场，进行有限元结构变形求解，获得结构场网格变形；通过复合材料螺旋桨与流场之间的流固耦合交界面将定常流场的初值数据传递给结构场，根据步骤二建立的复合材料螺旋桨有限元模型与获得的流场初值数据，完成复合材料螺旋桨的有限元结构变形求解，获得结构场的网格变形；利用有限元方法对水动力载荷作用下的螺旋桨结构进行瞬态分析，其动力学结构控制方程如下：式中[M
s
]、[C
s
]和[K
s
]分别为结构质量矩阵、结构阻尼矩阵和结构刚度矩阵，{X}、和分别为结构位移、结构速度和结构加速度，{F
EX
}代表流固耦合作用下结构所受外部激励力，{F
HE
}代表流固耦合作用下结构所受流场力；步骤四：建立复合材料螺旋桨流场计算的湍流模型；为了较好地捕捉多尺度非定常流场湍流结构及近壁区流动的现象，采用涡粘性模型，引入湍流粘性系数μ
t
将雷诺应力与平均速度梯度间建立联系；确定涡粘性系数的计算采用两方程k
‑
ωSST湍流模型封闭雷诺时均方程：
式中，k为湍动能，ω为湍流频率，ρ为流体密度，μ为动力粘性系数，为系踪平均，速度G
k
和G
w
分别是由平均速度梯度和浮力影响引起的湍动能产生项，Y
k
和Y
M
分别是由平均速度梯度和可压缩湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响，D
w
为横向扩散项；式中，σ
w
和σ
k
分别为湍动能和湍流频率的普朗特数：动能和湍流频率的普朗特数：湍流粘性系数μ
t
的计算式如下：式中，S为剪切应变率，F1、F2为混合函数；步骤五：建立复合材料螺旋桨流场计算的空化模型；复合材料螺旋桨流场计算的空化模型采用在Ralyleigh
‑
Plesset(R
‑
P)方程的基础上提出的基于空泡动力学的输运方程：式中，R
B
为空泡半径，p
v
为环境下的饱和蒸汽压，S为表面张力系数，ρl为液体密度，T
∞
为远场流体温度，p
∞
为远场环境压强；忽略空泡半径的二阶导数及表面张力的相互作用，分别化简出空泡半径R
B
、空泡质量m
B
和空泡体积V
B
随时间的变化率：随时间的变化率：随时间的变化率：N
B
为水中空化汽核密度，则汽相体积比
ɑ
v
为：则单位...
【专利技术属性】
技术研发人员：张丹丹，吴钦，董璐璐，黄彪，王国玉，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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