[发明专利]一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法

摘要

本发明公开了一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，属于螺旋桨优化设计领域。一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，包括以下步骤(a)基本网格确定；(b)精细网格确定；(c)最优网格确定；(d)利用最优网格预报所需工况条件下的梢涡空化。本发明针对螺旋桨梢涡空化进行数值预报；通过与相关实验结果对比，本发明较为有效地预报了E779A型螺旋桨在几种不同工况下的梢涡空化，因此，本发明对螺旋桨设计中空化性能的预测与评估具有重要作用，可有效减少设计成本和设计周期，其应用前景非常好。

主权项

一种关于水下螺旋桨梢涡空化的数值预报方法，其特征在于：包括以下步骤：(a)基本网格确定；(b)精细网格确定；(c)最优网格确定；(d)利用最优网格预报所需工况条件下的梢涡空化；所述的基本网格确定，包括以下具体步骤：步骤一，利用建模软件建立螺旋桨三维几何模型，并将其导入网格划分软件；步骤二，在网格划分软件中建立三种备选网格，并将其导入计算程序：三种备选网格的计算域相同，计算域为圆柱形，其速度入流边界距离螺旋桨中心为1.5D，D为螺旋桨直径，下游压力出口边界距离为5D，螺旋桨中心至侧面外围距离为2.5D，三种备选网格的网格数量逐渐增加，分别为200万、300万和400万；步骤三，空化模型和湍流模型设定：采用全空化模型和重整化群湍流模型，即RNG k‑ε湍流模型，并对其重要参数进行修正，对空化模型中相变率参数的修正和湍流模型中湍流黏度系数的修正采用C语言编写，再利用宏调用DEFINE_TURBULENT_VISCOSITY形式嵌入计算程序；步骤四，数值计算参数设定：数值参数设定包括工况条件、边界条件和数值算法的相关参数设定；工况条件主要设定螺旋桨旋转速度，环境压力和入流速度值，确定螺旋桨无量纲参数，即进速系数J和空化数σn；对于边界条件设定，速度入口边界采用入流速度值，远场边界条件采用入流速度值设定，下游压力出口界面的出口压力设置为静压力；对于数值算法，纳维—斯托克斯(N‑S)方程中对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采用二阶中心差分格式离散，速度压力耦合采用适合非结构网格的SIMPLE算法，使用逐点Gauss‑Seidel迭代求解离散方程，利用代数多重网格加速计算收敛，对于非定常计算采用滑动网格计算技术，计算过程中采用并行计算技术；方程中的质量守恒连续性残差收敛标准为三阶，方程中其它物理量残差收敛 标准为四阶，利用单相流的收敛解作为多项流求解的初始值，并将稳态解作为非稳态计算的初始值，为了确保计算收敛，螺旋桨旋转速度逐步加大到预定值，并适当缩小松弛因子；步骤五，进行数值计算：采用逐级分步骤的计算过程，在螺旋桨工况参数中，环境压力和入流速度可以直接设定到工况值，而螺旋桨转速采用分级增加，直到增加到预定工况值；先计算无空化模型流场分布，等到计算稳定后再打开空化模型，先对压力、密度、动量和汽相分数参数进行一阶精度离散格式计算，计算稳定后，再将离散精度提高到二阶或QUCIK，为了保证二阶计算的稳定性，将亚松弛因子适当调整降低；步骤六，根据水动力数值结果确立基本网格：利用这三种备选网格对螺旋桨水动力进行数值计算，并对计算结果进行分析；当水动力参数，即推力系数和转矩系数的计算结果随着网格数增加后趋于平稳后，则认为数值计算随着网格增加而趋于稳定，则选定网格数量最少的网格作为基本网格；所述的精细网格确定，包括以下具体步骤：步骤七，将基本网格的文件导入网格划分软件；步骤八，在基本网格网格的基础上，根据梢涡形状模型，利用网格划分软件建立梢涡区域网格：首先，根据等距螺旋线数学模型在专业建模工具中建立一个与模型参数相符的螺旋线形状的管道区域几何模型，这个区域是假定的梢涡空化发生区域，再将螺旋线几何形状模型导入基本网格中，并进行网格划分，等距螺旋线形状区域网格从临近桨叶叶梢开始，等距螺旋线半径预设为0.82R，螺旋线区域的单元网格尺寸为0.0001D，原基本网格单元尺寸不变；步骤九，重复步骤三的空化模型和湍流模型设定，步骤四的数值计算参数设定和步骤五的进行数值计算；步骤十，根据梢涡空化数值预报结果确立精细网格：这一步骤主要为确立等距螺旋线模型中的重要参数r，螺旋线半径r的长度为(0.81‑0.83)R，根据梢涡空化数值结果来调整并最终确定这一参数，具体方法 为，当步骤九的计算结果中梢涡空化位于这一假定区域，即为步骤八中设定的等距螺旋线半径所建立的螺旋线管道区域就是梢涡空化发生区域，则精细网格确立，可以进行下一步骤；反之，当梢涡空化数值预报基本不在这一假定区域时，则根据位置误差对参数r进行调整，并返回步骤八和步骤九重新计算，直到结果基本相符，则确立精细网格；所述的最优网格确定，包括以下具体步骤：步骤十一，将精细网格文件导入网格划分软件；步骤十二，建立尾流距离分别为7D和9D的另外两种计算域网格：在精细网格的基础上，建立另外两种计算域，其尾流距离分别为7D和9D，原来精细网格单元尺寸不变，划分增加的尾流部分区域网格，其网格单元尺寸为原精细网格在5D处网格单元尺寸；步骤十三，重复步骤三的空化模型和湍流模型设定，步骤四的数值计算参数设定和步骤五的进行数值计算；步骤十四，与尾流距离为5D的结果进行比较确定最优网格：对这三种计算域网格进行数值计算后进行分析，当随着尾流距离增加，梢涡空化数值预报精度不再明显增加时，则确立最佳尾流距离及最优网格。