[发明专利]一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法

说明书

本发明提供一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，包括以下步骤：建立三维模型；计算域流体网格划分；选定物理模型；根据吊舱偏转角度设置边界条件及初始条件；设置求解器参数；分级计算，先采取定常计算，再进行非定常计算，之后逐步降低出口压力至实际值。本发明通过CFD软件对吊舱推进器偏转工况下吊舱桨的空泡形态进行求解，采用全结构网格有利于解决湍流耗散，减少网格数量，提高计算效率，准确模拟吊舱推进器偏转工况下的空泡形态，与试验结果对比一致性较好。

技术领域

本发明属于推进器技术领域，尤其涉及一种吊舱偏转工况下空泡性能计算方法。

背景技术

船舶螺旋桨在高速运转时，当叶背的负压低于水的汽化压力时极易发生空化，产生空泡。空泡的产生和溃灭会对桨叶剥蚀，降低螺旋桨的推进效率，同时会对船底产生极大的诱导脉动压力，引起船舶尾部剧烈振动。近些年，吊舱推进器由于其良好的操纵性已经广泛应用于各类船舶。吊舱推进器在操舵过程中发生偏转，使推进器桨叶载荷增大，空泡性能恶化，剥蚀破坏推进器材料。目前在吊舱推进器偏转工况的空泡研究较少，大多在直航工况下，通过压力预测空泡范围，这只能从压力上分辨容易发生空化的区域，不能得到具体的空化面积。

随着计算机性能的飞越发展，螺旋桨空泡计算多采用CFD。RNS方法(雷诺时均，一种湍流数值模拟方法)和LES(大涡模拟，一种湍流数值模拟方法)方法成为主要手段，但RNS通过平均运算将脉动运动的全部行为细节一律抹平，丧失了包含在脉动项内的大量有意义的信息，而且对不同尺度的涡同等对待，不加区分，不符合实际；LES方法则可以利用详细的计算脉动运动，得到更多流场信息，但由于对网格数量和质量要求太高，耗费计算能力和时间，不被大多数学者采取。

在网格划分方面，非结构网格由于其不能很好的计算粘性问题以及网格填充率低，相同的空间需要填充大量的网格，增加计算时间；同时对于偏转问题，由于操舵过程中，不同的偏转工况下，对应的模型不同，需要重新划分网格，会大量增加了网格划分的时间。

发明内容

基于现有方法的不足，为避免非结构网格的缺点，提高计算效率，同时为吊舱推进器偏转角度不同而提供一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法，以实现快速准确的获取不同偏转角下吊舱推进器的空泡性能，为推进器的设计优化提供基础。

吊舱推进器不同偏转角下的空泡性能计算方法，即偏转工况下吊舱推进器空泡性能计算方法。本发明主要基于全结构网格结合重叠网格边界，对不同偏转角度下的吊舱推进器的空泡性能进行计算，结合分离涡湍流模型和schnerr-sauer模型得到更符合实际情况、精度更高的空泡以及空泡演变过程的数据结果。

为实现上述目的，本发明的一种吊舱推进器偏转工况下空泡计算方法采用如下步骤：

S1、根据模拟设计确定模型数据尺寸，建立大地坐标系(笛卡尔坐标系)，X轴为来流方向，Z轴为吊舱的偏转轴；

S2、进行计算域和网格划分。将计算域划分为螺旋桨旋转域，吊舱域和远场计算域，在ICEM中采用全结构网格对螺旋桨域、吊舱域和远场计算域进行网格划分；

S3、选定计算的物理模型，采用DES方法、schnerr-sauer空泡模型求解吊舱推进器偏转工况下空泡；

S4、在数值仿真软件Starccm⁺中偏转吊舱推进器至计算偏转角下，建立旋转坐标系(笛卡尔坐标系)，x轴为螺旋桨旋转轴，z轴为吊舱偏转轴；建立吊舱域和计算域之间的重叠网格。

S5、设置边界条件及初始条件。设置计算区域边界、初始条件包括螺旋桨转速、参考压力、来流速度、流体粘度、密度；