旋转机械 | 螺旋桨数值模拟方法

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从实际操作上来讲，螺旋桨的直接数值模拟方法可以分为三种：

• Moving Reference Frames (MRF)

• Rigid Body Motion (RBM)

• Overset Mesh (OM)
  

MRF为运动参考系法，顾名思义，该方法通过引入相对运动参考系来处理桨的旋转问题，将复杂的问题进行简化，是一种稳定性好、易于收敛的稳态方法。

RBM为刚体运动法，也称之为滑移网格法，该方法通过网格的旋转来模拟桨的真实运动，在旋转域和外部静止域之间通过交界面进行流场信息传递，是一种瞬态方法。

OM为重叠网格法，也称之为嵌套网格法，最近几年应用的越来越广泛和成熟。与RBM法类似，该方法也是一种瞬态方法，只是处理交界面的方式有所不同。

对比以上三种方法，各有其优缺点：

MRF方法是一种稳态方法，因此具有设置简单、计算快速、易于收敛等优点，在计算螺旋桨的敞水曲线时一般采用该方法，计算精度满足要求，资源耗费较少，性价比高。

RBM方法是一种瞬态方法，相对于MRF，不仅能够求得敞水曲线，还能够得到流场的更多信息，比如压力脉动、流场演变等，但是计算时间较长，对硬件的要求也更高。

OM方法与RBM方法类似，得益于重叠网格在处理诸如极限、交叉、耦合等运动方面的优势，该方法在处理船-桨-舵耦合运动及干扰、自航模、操纵性模拟等方面应用更为广泛。

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从网格生成的角度来看，MRF方法和RBM方法可以共用一套网格，二者处理计算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介绍这两种方法，OM方法因为网格需要单独生成，因此放在下次推送中进行介绍。

下面以KP505桨模为案例，对螺旋桨模拟的主要步骤进行介绍。桨的主尺度和模型如下：

首先进行计算域生成，这里要准备两个区域：

• 包含桨的旋转域

• 外部静止域

计算域及边界条件类型如下：

对两个区域分别进行网格划分，本次模拟中，旋转域部分采用多面体网格类型，外部静止域采用trimmer网格。

生成网格示意图如下：

由衷的夸一句，STAR-CCM+生成的多面体网格真是好看，多快好省出场自带BGM。

这里介绍两个心得：

• 桨叶的特征线

• 交界面两侧各生成一层棱柱层网格

为了对桨叶的导边和随边进行更好地捕捉，建议在几何处理阶段，生成导边和随边的特征线，以便在网格划分时，采用线控制加密的方式处理桨叶表面网格。特征线如下图所示：

第二，为了提高交界面处插值的精度，减小数值传递误差，因此建议在交界面两侧各生成一层棱柱层网格，其尺寸设置一致。

如下图红圈中所示：

之后可以分别进行MRF方法和RBM方法的设置，在STAR-CCM+软件的官方文档中都有相应的案例，给出了详细的操作步骤，这里不再赘述。

建议大家亲自动手，对比一下两种方法，实践出真知。

下面给出此次计算的结果，采用的方法是RBM，敞水曲线如下图：

可以看出计算值与试验值吻合很好，在较大的进速系数时，计算结果误差稍微增大，但都在5%以内。

下图给出了涡的示意图，叶梢和桨毂的涡流捕捉的也不错，相信加密网格和更改高级湍流模型（DES、LES）效果会更好。

文章来源：shipCFD