[發明專利]一種基于粘流和勢流耦合的導管螺旋槳計算方法

有效

• 申請號: 202011289801.6
• 申請日: 2020-11-18
• 公開（公告）號: CN112464585B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 王鵬;宋保維;潘光;董華超;金志輝;夏輝;安小逸
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06F30/15
• 代理公司: 西安凱多思知識產權代理事務所(普通合伙) 61290
• 代理人: 劉新瓊

本發明涉及一種基于粘流和勢流耦合的導管螺旋槳計算方法，屬于航海技術領域。通過將勢流方法中的面元法和粘性求解RANS方程進行耦合，在粘性求解域中使用體積力的分布代替槳葉的作用，在勢流區域使用邊界元法獲得在考慮有效伴流時的螺旋槳槳葉壓力分布，將壓力分布轉換為體積力用于粘性流場計算，而有效伴流是通過粘性流場的計算結果獲得。本發明可以在保證數值仿真精度的前提下，明顯減少計算資源和時間的使用，并且提供了一種計算水下航行器推進器實效伴流的方法，可以提高水下航行器推進器的設計優化效率。

技術領域

本發明屬于航海技術領域，涉及導管螺旋槳耦合計算方法研究，具體設計一種基于雷諾應力平均模型(RANS)粘流計算和邊界元(BEM)勢流計算的導管螺旋槳耦合計算技術。

背景技術

近年來，隨著我國對海洋資源的開發和海洋環境的探索日益深入，對航海工程技術的要求也越來越高。自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，簡稱AUV)是一種可以進行科學考察、海洋探測以及軍事偵察的多功能水下機器人。動力推進系統是水下航行器的主要組成部分，主要由動力裝置和推進器組成，用于水下航行器的推進器主要有三種：對轉螺旋槳、導管螺旋槳以及泵噴推進器。導管螺旋槳，簡稱為導管槳，作為特種推進器一種，由螺旋槳和包圍在其外部的圓環狀噴管共同構成，噴管的翼型截面通常在周向是均勻對稱的，螺旋槳在噴管內旋轉，噴管固定在推進裝置殼體上。當水下航行器在低速高載荷工況或者螺旋槳設計直徑受到限制時，導管螺旋槳可以顯示其獨特的優勢。在高負荷時導管螺旋槳的效率高，可提供的推力大，同時導管在螺旋槳周圍可以起到保護作用，提高螺旋槳的空泡性能，避免與外物碰撞損壞。導管螺旋槳的推進效率、噪聲性能對航行器整體的能源利用、航速性能和總體噪聲水平起十分重要的作用。準確快速地預報導管螺旋槳的水動力性能可以提高水下航行器的性能評估效率，同時也可以加快螺旋槳的優化設計進程，從而對提高水下航行器性能預估能力和綜合設計能力有很重要的作用。因此研究一種粘流和勢流耦合的導管螺旋槳計算方法具有重要的應用背景。

從工程角度來看，通過粘性求解器對導管螺旋槳進行完全粘性流動數值計算，雖然可以很好地模擬流動特性，更準確地評估導管螺旋槳的性能，但由于計算過程中需要對目標進行的網格劃分十分復雜和求解RANS方程需要更多的計算資源和時間，尤其是在涉及到水下航行器及附體與螺旋槳的相互作用以及導管與螺旋槳的相互作用時，需要大量復雜的網格和計算時間，這在水下航行器設計和優化階段是需要耗費大量資源和時間。

利用邊界元法求解勢流方程對螺旋槳進行分析和設計是常用的方法。勢流方法計算速度快，計算結果有效，預報螺旋槳水動力性能具有經濟、快速、簡便的優點。然而在粘性和湍流效應明顯時，勢流計算方法會有較大的誤差，比如在螺旋槳的非設計工況、分析大側斜槳性能、勢流計算需要對導管形狀處理等都會在一定程度上影響勢流數值模擬的精度。

發明內容

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種基于粘流和勢流耦合的導管螺旋槳計算方法。通過將勢流方法中的面元法和粘性求解RANS方程進行耦合，在粘性求解域中使用體積力的分布代替槳葉的作用，在勢流區域使用邊界元法獲得在考慮有效伴流時的螺旋槳槳葉壓力分布，將壓力分布轉換為體積力用于粘性流場計算，而有效伴流是通過粘性流場的計算結果獲得。本發明可以在保證數值仿真精度的前提下，明顯減少計算資源和時間的使用，并且提供了一種計算水下航行器推進器實效伴流的方法，可以提高水下航行器推進器的設計優化效率。

技術方案

一種基于粘流和勢流耦合的導管螺旋槳計算方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：在三維建模軟件中建立導管的幾何模型，在網格劃分軟件中建立導管的流體計算域并劃分網格；

步驟2：建立基于RANS方程的流體計算模型，通過導入步驟1中不考慮螺旋槳的導管流域網，設置邊界條件、求解參數以及湍流模型，求解RANS方程，獲得沒有螺旋槳作用的導管流場結果；