一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法
2024-01-18 13:47:15 2
一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法
【專利摘要】本發明公開了一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，屬於螺旋槳優化設計領域。一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，包括以下步驟：(a)基本網格確定；(b)精細網格確定；(c)最優網格確定；(d)利用最優網格預報所需工況條件下的梢渦空化。本發明針對螺旋槳梢渦空化進行數值預報；通過與相關實驗結果對比，本發明較為有效地預報了E779A型螺旋槳在幾種不同工況下的梢渦空化，因此，本發明對螺旋槳設計中空化性能的預測與評估具有重要作用，可有效減少設計成本和設計周期，其應用前景非常好。
【專利說明】一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及螺旋槳優化設計領域，具體地說，一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數 值預報方法。
【背景技術】
[0002] 螺旋槳空化不僅會降低螺旋槳性能，產生空化剝蝕，導致船體振動，而且會產生 足以暴露自己的空化噪聲。隨著現代船舶對負荷和船速的要求越來越高，螺旋槳空化現象 難以避免。而梢渦空化常常是螺旋槳最早出現的空化，其現象的準確預報可以對空化初生 的判斷提供重要依據。梢渦空化的數值預報也是最難實現的空化數值預報之一。數值捕獲 梢渦空泡，並獲取其周圍流場的壓力、速度和流場結構在內的全面空化流場信息可以進一 步增強對噪聲產生機理的認識。梢渦空化一直是眾多相關學者的的研究熱點和難點，也是 推進器設計製造乃至造船行業所關注的熱點之一。
[0003] 目前，對空化流場的研究主要有實驗和數值分析兩種方法。完全依賴實驗存在耗 資費時、螺旋槳模型修改不方便以及傳感器在流場中的安裝會對流場造成影響等不足。近 年來，隨著計算機技術的快速發展，計算機運算能力的大大提高，使得利用現代計算流體力 學對梢渦空化進行數值預報成為可能，數值預報成為空化預報的重要手段。現在對螺旋槳 空化數值模擬較為成功是片空化，而梢潤空化（tip vortex cavitation)數值預報難度較 大。目前常用的預報方法為，通過確立合理的計算域空間，建立高質量的網格，選用合適的 湍流模型和空化模型，在基於混合多相流模型的基礎上求解雷諾應力RANS方程得到螺旋 槳周圍流場的數值解，已經能基本實現螺旋槳空化的數值預報，但是梢渦空化的預報效果 不明顯。
[0004] 目前，國外對梢潤空化研究主要側重於水翼。美國Dynaflow Inc.公司將修正 的球形空泡動力學模型（Rayleigh-Plesset)和非球形空泡動力學模型相結合，並內置 到UnRANS方程求解器中進行求解，對梢渦空化初生現象進行數值預報，他們考慮到流場 中空化核的尺寸和空間分布對空化初生的影響。韓國首爾大學研究人員採用Eulerian -Lagrangian方法，並同樣考慮空泡核的尺寸分布特徵對梢渦空化及其空化噪聲進行了數值 分析。挪威研究人員利用商業軟體Fluent軟體對NACA水翼的梢渦空化進行了數值模擬， 其結果與實驗結果較為一致。此外，瑞典研究人員利用大渦模擬方法對螺旋槳空化進行了 數值預報，其螺旋槳梢渦空化預報結果與實驗現象較為一致，但片空化預報區域明顯比實 驗顯示結果大。
[0005] 所以，急需一種能夠有效的預報螺旋槳梢渦空化的數值預報方法。
【發明內容】
[0006] 螺旋槳梢渦空化主要特徵有：
[0007] 1.在螺旋槳各種空化形式中，梢渦空化常常最早出現，並伴隨著空化初生現象；
[0008] 2.在尾流場中螺旋槳葉梢附近產生，沿軸向呈現螺旋線形狀分布，且痕跡較長；
[0009] 3.在梢渦中心線區域有強烈的渦旋運動，並產生強烈的低壓；
[0010] 4.梢渦最初在葉梢附近產生，在脫離槳葉後，梢渦的螺旋線半徑會進行收縮； [0011] 5.梢渦會隨著螺旋槳尾流的渦面結構向尾流方向進行滑溜；
[0012] 6.梢渦空化發出的噪聲一般分布在中高頻段，其頻譜呈現連續特徵。
[0013] 本發明的原理就是依據上述的梢渦空化的主要特徵，綜合使用空化模型、湍流模 型和混合兩相流模型來數值求解納維一斯託克斯（N-S)方程組，得到螺旋槳流體環境中的 壓力、速度和反映空化的汽相體積分數等各項物理參數值，本發明提供一種關於水下螺旋 槳梢渦空化的數值預報方法，可對螺旋槳設計中空化性能進行預測與評估。
[0014] 本發明採用如下技術方案：
[0015] 一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，包括以下步驟：
[0016] (a)基本網格確定；
[0017] (b)精細網格確定；
[0018] (c)最優網格確定；
[0019] (d)利用最優網格預報所需工況條件下的梢渦空化。
[0020] 本發明方法的具體實現方式包括以下步驟：
[0021] 步驟一，利用建模軟體建立螺旋槳三維幾何模型，並將其導入網格劃分軟體。
[0022] 步驟二，在網格劃分軟體中建立三種備選網格，並將其導入計算程序：
[0023] 三種備選網格的計算域相同，計算域為圓柱形，其速度入流邊界距離螺旋槳中 心為1. 5D，D為螺旋槳直徑，下遊壓力出口邊界距離為螺旋槳中心至側面外圍距離為 2. 5D，三種備選網格的網格數量逐漸增加，分別約為200萬、300萬和400萬。
[0024] 步驟三，空化模型和湍流模型設定：
[0025] 採用全空化模型和重整化群湍流模型（RNG k-ε湍流模型），並對其重要參數進 行修正，對空化模型中相變率參數的修正和湍流模型中湍流黏度係數的修正採用C語言編 寫，再利用宏調用（DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY等）形式嵌入計算程序。
[0026] 步驟四，數值計算參數設定：
[0027] 數值參數設定包括工況條件、邊界條件和數值算法的相關參數設定；工況條件主 要設定螺旋槳旋轉速度，環境壓力和入流速度值，從而確定螺旋槳無量綱參數，即進速係數 (J)和空化數（σ η);對於邊界條件設定，速度入口邊界採用入流速度值，遠場邊界條件同樣 採用入流速度值設定，下遊壓力出口界面的出口壓力設置為靜壓力；對於數值算法，納維一 斯託克斯（N-S)方程中對流項採用二階迎風格式離散，擴散項採用二階中心差分格式離 散，速度壓力耦合採用適合非結構網格的SMPLE算法，使用逐點Gauss-Seidel迭代求解離 散方程，利用代數多重網格加速計算收斂，對於非定常計算採用滑動網格計算技術，提高計 算的準確性。由於多相流模型、空化模型和滑動網格計算對計算機資源消耗較大，採用並行 計算技術來縮短計算時間；
[0028] 質量守恆連續性（continuity)殘差收斂標準為三階，方程中其它物理量殘差收 斂標準為四階，利用單相流的收斂解作為多項流求解的初始值，並將穩態解作為非穩態計 算的初始值，為了確保計算收斂，螺旋槳旋轉速度逐步加大到預定值，並適當縮小鬆弛因 子。
[0029] Navier-Stokes方程，也稱納維一斯託克斯方程，簡稱N-S方程。下面表達式為張 量形式的N-S方程，其中下標k與j，i 一樣表示坐標軸。
[0030]
【權利要求】
1. 一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於：包括以下步驟： (a) 基本網格確定； (b) 精細網格確定； (c) 最優網格確定； (d) 利用最優網格預報所需工況條件下的梢渦空化。
2. 如權利要求1所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 所述的基本網格確定，包括以下具體步驟： 步驟一，利用建模軟體建立螺旋槳三維幾何模型，並將其導入網格劃分軟體； 步驟二，在網格劃分軟體中建立三種備選網格，並將其導入計算程序： 三種備選網格的計算域相同，計算域為圓柱形，其速度入流邊界距離螺旋槳中心為 1. 5D，D為螺旋槳直徑，下遊壓力出口邊界距離為螺旋槳中心至側面外圍距離為2. 三種備選網格的網格數量逐漸增加，分別約為200萬、300萬和400萬； 步驟三，空化模型和湍流模型設定： 採用全空化模型和重整化群湍流模型（RNG k-ε湍流模型），並對其重要參數進行修 正，對空化模型中相變率參數的修正和湍流模型中湍流黏度係數的修正採用C語言編寫， 再利用宏調用（DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY等）形式嵌入計算程序； 步驟四，數值計算參數設定： 數值參數設定包括工況條件、邊界條件和數值算法的相關參數設定；工況條件主要設 定螺旋槳旋轉速度，環境壓力和入流速度值，確定螺旋槳無量綱參數，即進速係數（J)和空 化數（ση);對於邊界條件設定，速度入口邊界採用入流速度值，遠場邊界條件採用入流速 度值設定，下遊壓力出口界面的出口壓力設置為靜壓力；對於數值算法，納維一斯託克斯 (N-S)方程中對流項採用二階迎風格式離散，擴散項採用二階中心差分格式離散，速度壓力 耦合採用適合非結構網格的SMPLE算法，使用逐點Gauss-Seidel迭代求解離散方程，利用 代數多重網格加速計算收斂，對於非定常計算採用滑動網格計算技術，計算過程中採用並 行計算技術； 方程中的質量守恆連續性（continuity)殘差收斂標準為三階，方程中其它物理量殘 差收斂標準為四階，利用單相流的收斂解作為多項流求解的初始值，並將穩態解作為非穩 態計算的初始值，為了確保計算收斂，螺旋槳旋轉速度逐步加大到預定值，並適當縮小鬆弛 因子； 步驟五，進行數值計算： 採用逐級分步驟的計算過程，在螺旋槳工況參數中，環境壓力和入流速度可以直接設 定到工況值，而螺旋槳轉速採用分級增加，直到增加到預定工況值； 先計算無空化模型流場分布，等到計算穩定後再打開空化模型，先對壓力、密度、動量 和汽相分數等參數進行一階精度離散格式計算，計算穩定後，再將離散精度提高到二階或 QUCIK等，為了保證二階計算的穩定性，將亞鬆弛因子適當調整降低； 步驟六，根據水動力數值結果確立基本網格： 利用這三種備選網格對螺旋槳水動力進行數值計算，並對計算結果進行分析；當水動 力參數（推力係數和轉矩係數）的計算結果隨著網格數增加後趨於平穩後，則認為數值計 算隨著網格增加而趨於穩定，則選定計算穩定後網格數量最少的網格作為基本網格。
3. 如權利要求1所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 所述的精細網格確定，包括以下具體步驟： 步驟七，將基本網格的文件導入網格劃分軟體； 步驟八，在基本網格的基礎上，根據梢渦形狀模型，利用網格劃分軟體建立梢渦區域網 格： 首先，根據等距螺旋線數學模型在專業建模工具中建立一個與模型參數相符的螺旋線 形狀的管道區域幾何模型，這個區域是假定的梢渦空化發生區域，再將螺旋線幾何形狀模 型導入基本網格中，並進行網格劃分，等距螺旋線形狀區域網格從臨近槳葉葉梢開始，等距 螺旋線半徑預設為〇. 82R，螺旋線區域的單元網格尺寸約為0. 0001D，原基本網格中每條邊 的單元尺寸不變； 步驟九，重複步驟三的空化模型和湍流模型設定，步驟四的數值計算參數設定和步驟 五的進行數值計算； 步驟十，根據梢渦空化數值預報結果確立精細網格： 這一步驟主要為確立等距螺旋線模型中的重要參數r，螺旋線半徑r的長度約為 (0. 81-0. 83) R，根據梢渦空化數值結果來調整並最終確定這一參數，具體方法為，當步驟九 的計算結果中梢渦空化基本位於這一假定區域（即為步驟八中設定的r所建立的螺旋線管 道區域就是梢渦空化發生區域），則精細網格確立，可以進行下一步驟；反之，當梢渦空化 數值預報基本不在這一假定區域時，則根據位置誤差對參數r進行調整，並返回步驟八和 步驟九重新計算，直到結果基本相符，則確立精細網格。
4. 如權利要求1所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 所述的最優網格確定，包括以下具體步驟： 步驟十一，將精細網格文件導入網格劃分軟體； 步驟十二，建立尾流距離分別為7D和9D的另外兩種計算域網格： 在精細網格的基礎上，建立另外兩種計算域，其尾流距離分別為7D和9D，原來精細網 格中每條邊的單元尺寸不變，劃分增加的尾流部分區域網格，其網格單元尺寸為原精細網 格在處網格單元尺寸； 步驟十三，重複步驟三的空化模型和湍流模型設定，步驟四的數值計算參數設定和步 驟五的進行數值計算； 步驟十四，與尾流距離為的結果進行比較確定最優網格： 對這三種計算域網格進行數值計算後進行分析，當隨著尾流距離增加，梢渦空化數值 預報精度不再明顯增加時，則確立最佳尾流距離及最優網格。
5. 如權利要求2、3或4所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵 在於：所述的全空化模型及其參數修正為： 當d〈d..時，蒸汽產生率為：
當P>PV時，汽相變液相，蒸汽凝固率R。為：
其中，fv = a v p v/ p m為汽相質量分數，汽化係數Ce = 0. 02和凝結係數Cc = 0. 01為 經驗參數。
6. 如權利要求2、3或4所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵 在於：所述的重整化群湍流模型及其參數修正為： 重整化群湍流模塑的k方程和ε方程分別為：
式中，湍流動能耗散率（Turbulent Dissipation Rate)
動能k和耗散率ε的有效湍流普朗特數的倒數ak = aE = 1.39 ;模型參數C1E = 1.47， C2E = 1. 68 ;黏性係數為μ = μ t+ym, ym為混合流黏度係數；湍流黏度係數μ t = [Pv+OfPv)]。』2"，CW = 0.085。
7. 如權利要求3所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 所述的等距螺旋線數學模型及其參數如下：
其中，X、y、z分別為笛卡爾坐標系的三個坐標軸，常數r為螺旋線半徑，r的長度約為 (0. 81-0. 83)R，R為螺旋槳半徑；常數k為螺旋線的每旋轉一周在X軸上前進的距離，k = U^/n，Um為入流速度，η為螺旋槳轉速。
8. 如權利要求2所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 所述的網格劃分的方法為：採用分區域混合網格劃分方法劃分網格：螺旋槳周圍流場區域 採用非結構網格方法劃分，網格由槳轂到葉梢逐漸減小，葉梢處面網格為三角形，大小約為 0. 001D，槳榖處為0. 015D，D為螺旋槳直徑；在槳葉表面採用邊界層網格，採用結構網格劃 分螺旋槳外圍規則形狀的計算域。
9. 如權利要求8所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 槳葉表面採用邊界層網格，邊界層網格共有4層，其相鄰兩層高度比為1. 1，第一層網格單 元高度約為〇. 0008D，使得無量綱參數20〈y+〈300。
10. 如權利要求2所述的一種關於水下螺旋槳梢渦空化的數值預報方法，其特徵在於： 在步驟五的數值計算中，需要調整降低亞鬆弛因子，壓力、動量、汽相分數、湍流動能、湍流 耗散率和湍流黏性等參數的亞鬆弛因子分別設定為：〇. 25、0. 6、0. 2、0. 7、0. 7、0. 9。
【文檔編號】G06F17/50GK104102783SQ201410345562
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】朱志峰 申請人:安徽工業大學