[发明专利]一种计算船舶螺旋桨流场网格运动的快速算法

摘要

本发明涉及一种计算船舶螺旋桨流场网格运动的快速算法，1、假定螺旋桨流体域充满一种虚拟弹性体，以螺旋桨振动方程和虚拟弹性体的静力平衡方程为基础，结合螺旋桨结构与流场网格节点位移插值公式，推导螺旋桨‑虚拟弹性体系统的振动方程；2、计算该系统前若干阶固有频率及振型；3、在流固耦合计算时，只求解正则坐标下的前若干个动力学方程，然后通过相应振型的叠加实现螺旋桨和流场网格节点位移的快速计算。本发明的快速算法的计算规模只有原弹性体动网格方法的1/10000，显著提高了流场动网格的计算效率，该算法可以通过商业计算流体动力学软件的二次开发程序加载到商业流场计算程序中，实现螺旋桨的流固耦合计算，具有很好的通用性。

主权项

1.一种计算船舶螺旋桨流场网格运动的快速算法，其特征在于，该算法包括以下步骤：(1)螺旋桨振动控制方程的建立：浸入在水中的螺旋桨在旋转过程中，会受到水动力作用而产生振动，采用有限元的方法，构建螺旋桨的有限元振动控制方程；(2)螺旋桨表面的结构与流场网格节点位移插值公式：对于叶片表面任意一个流场网格节点M，它位于螺旋桨表面的一个结构有限单元面上，该有限单元面的节点分别为1、2、3、4，节点M随螺旋桨叶片振动产生的位移采用有限元节点位移的插值方法，对有限元节点1、2、3、4的位移x_i进行插值得到；(3)虚拟弹性体的静力平衡方程的建立：将流体域所占据的空间区域视为一种虚拟的弹性体，然后采用弹性变形的方式描述流体域的变形，这种虚拟弹性体对流体域的流动不产生任何影响；在已知叶片表面流场网格节点位移X_f‑B的条件下，采用弹性体动网格方法，构建螺旋桨流场虚拟弹性体的静力平衡方程；(4)螺旋桨‑虚拟弹性体系统的振动方程：综合考虑螺旋桨振动方程、螺旋桨表面的结构与流场网格节点位移插值公式以及螺旋桨流场虚拟弹性的静力平衡方程，通过矩阵叠加运算即可得到螺旋桨‑虚拟弹性体系统的振动方程；(5)螺旋桨和流场网格节点位移的快速计算：通过模态分析得到螺旋桨叶片‑虚拟弹性体系统的固有频率ω和正则振型Φ，采用坐标变换得到正则坐标下的振动方程，然后采用Wilson‑θ方法求解前若干个正则坐标下的振动方程，然后通过坐标变换就可得到螺旋桨结构和流场网格节点的位移。