【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下航行器，尤其涉及一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法。
技术介绍
1、由于工作在水下航行器尾部的螺旋桨等推进器在旋转过程中遇到不均匀的湍流入流场，推进器的转子叶片产生非定常推力，并进而向外辐射出线谱噪声。螺旋桨噪声是重要的水下航行器噪声源，是螺旋桨研究与设计中的重点控制对象，因此，水下航行器推进器转子叶片非定常力的幅值等特性是水下航行器推进器设计研究中的重要特性参数。
2、现有技术中，水下航行器推进器转子叶片的非定常激励力的获取方法有模型试验法、势流理论计算法、cfd仿真计算法，其中cfd仿真计算法由于考虑了流体的粘性作用、以及可以直接模拟水下航行器对于推进器的作用，计算结果相比势流理论法更好。但是由于推进器的非定常力与水下航行器产生的伴流场特征息息相关，所以在采用cfd方法对推进器非定常力的仿真计算中常常需要将水下航行器整体带入，由此带来了计算量大幅增加的问题。如果不考虑水下航行器产生的伴流场特征时，则可以大幅减小计算量，但是会导致推进器非定常力计算结果偏差较大。
3、因此，亟待设计一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，解决上述现有技术存在的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或者改进需求，本专利技术提供了一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其目的在于通过构建仅包含尾部操纵面和推进器对伴流场影响较大的计算域，同时将尾部计算域与首部计算域的交界面的边界设置为流动入口边界，获得准确的推进器非定常力数据，减小了计算量的
2、为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
3、本专利技术第一方面提供了一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，所述方法包括以下步骤：
4、s1：创建水下航行器及推进器的几何模型，将所述模型划分为首部航行器本体、尾部航行器本体、推进器三部分，所述尾部航行器本体包括水下航行器的艉操纵面；
5、s2：创建水下航行器及推进器仿真计算的计算域，按照首部航行器本体、尾部航行器本体、推进器三部分分别创建首部计算域、尾部计算域、推进器转动计算域，采用网格划分软件对各部分计算域进行网格划分，创建流体计算网格模型；
6、s3：设置边界条件，建立流体动力学分析模型并开展全计算域定常流场的仿真计算至流场完全收敛，其中推进器的旋转以旋转坐标系法进行模拟；
7、s4：提取首部计算域与尾部计算域的交界面的流场数据，所述流场数据包括三向速度场、压力场、湍动能、比耗散率；
8、s5：删除所述首部计算域网格及数据，将尾部计算域与首部计算域的交界面的边界设置为流动入口边界，以所述步骤s4提取的流场数据作为流动入口的数据，所述推进器的旋转以旋转网格法模拟，其它边界条件不变，最后形成非定常计算的流体动力学分析模型；
9、s6：针对所述步骤s5最后形成的非定常计算的流体动力学分析模型开展非定常流动的计算，监测并输出推进器的非定常力。
10、作为本申请的一实施例，所述步骤s2中首部计算域与尾部计算域交界面的网格完全相同。
11、作为本申请的一实施例，所述步骤s2中首部计算域、尾部计算域采用全六面体结构化网格，推进器计算域采用四面体非结构化网格。
12、作为本申请的一实施例，所述步骤s3中设置边界条件，建立流体动力学分析模型并开展全计算域定常流场的仿真计算至流场完全收敛具体包括：
13、s31：设定物理边界条件，建立基于navier-stokes方程的水下航行器推进器定常求解时的流体动力学分析模型；
14、s32：建立好流体动力学分析模型后，采用雷诺时均模拟方法稳态求解ns方程，并进行网格灵敏度分析；
15、s33：在流体仿真软件中进行上述流体动力学分析模型的设置，设置完毕后，以流动入口进行初始化，并开展计算直至收敛。
16、作为本申请的一实施例，所述步骤s31中设定物理边界条件具体包括：
17、所述首部计算域与尾部计算域的交界面设置为内部面；
18、远场来流设置为速度入口边界条件；
19、远场出流设置为压力出口边界条件；
20、四周远场设置为壁面边界条件或速度入口边界条件；
21、水下航行体和推进器的壁面采用无滑移壁面边界条件。
22、作为本申请的一实施例，所述步骤s32中采用雷诺时均模拟方法稳态求解ns方程表示如下：
23、
24、其中，为流体密度，单位是kg/m3;为速度，单位是m/s；为压力，单位是pa；为动力粘性系数，单位是n·s/㎡;为雷诺应力项，选择sst湍流模型进行方程封闭；压力项、动量项选择二阶离散格式。
25、作为本申请的一实施例，所述步骤s5中以步骤s4提取的流场数据作为流动入口的数据具体包括：分别选择流场数据中的压力场、三向速度场、湍动能、比耗散率为流动入口边界中的压力场、三向速度场、湍动能、比耗散率赋值。
26、作为本申请的一实施例，所述步骤s5还包括：
27、设置完成边界条件后，将流体动力学分析模型更改为非定常计算的流体动力学分析模型，时间格式选择二阶格式，迭代时间步长为,时间步长选择为每200步推进器旋转一周，其计算公式如下：
28、
29、其中，为推进器的转速，单位为r/s。
30、作为本申请的一实施例，所述步骤s6中监测推进器的推力和扭矩随时间的变化，得到非定常激励力系数具体包括：
31、s61：在计算稳定后，监测并记录每个时间步下的推进器的轴向力、侧向力及垂向力；
32、s62：计算完成后通过截取转子时域曲线的整周期数据进行傅里叶变换，得到转子特征频率上的非定常脉动力、、。
33、本专利技术的有益效果为：
34、本专利技术首先将水下航行器及推进器按照首部计算域、尾部计算域、推进器旋转计算域划分流体计算网格，进行稳态迭代计算，其中首部计算域与尾部计算域的交界面的网格完全一致；然后提取首部计算域与尾部计算域交界面的伴流场数据；接下来删除首部计算域，可以减小计算量，将交界面伴流场数据作为流动入口边界条件，实现高保真的模拟推进器在航行器后的工作状态，开展非定常计算；最后提取非定常计算中推进器转子的推力与扭矩开展分析，得到非定常激励力系数，本方法与现有技术相比，减小了计算量的同时又保证了计算结果的准确性。
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1.一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S2中首部计算域与尾部计算域交界面的网格完全相同。
3.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S2中首部计算域、尾部计算域采用全六面体结构化网格，推进器计算域采用四面体非结构化网格。
4.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S3中设置边界条件，建立流体动力学分析模型并开展全计算域定常流场的仿真计算至流场完全收敛具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S31中设定物理边界条件具体包括：
6.根据权利要求4所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S32中采用雷诺时均模拟方法稳态求解NS方程表示如下：
7.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于
8.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：
9.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤S6中监测并输出推进器非定常力具体包括：
...【技术特征摘要】
1.一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤s2中首部计算域与尾部计算域交界面的网格完全相同。
3.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤s2中首部计算域、尾部计算域采用全六面体结构化网格，推进器计算域采用四面体非结构化网格。
4.根据权利要求1所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤s3中设置边界条件，建立流体动力学分析模型并开展全计算域定常流场的仿真计算至流场完全收敛具体包括：
5.根据权利要求4所述的一种水下航行器推进器非定常力数值计算方法，其特征在于，所述步骤...
【专利技术属性】
技术研发人员：冉令可，赵威，贾智淳，余海廷，龙云，韩汉桥，刘敏，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七一九研究所，
类型：发明
国别省市：
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