[案例分析]STARCCM+入门系列之——体积力螺旋桨法

  1、虚拟盘模型

虚拟盘体模型基于将螺旋桨、涡轮机、转子和风扇等表示为执行器盘体的原则。当提供有关转子/螺旋桨行为的信息且需要它对周围的流场产生影响时，执行器盘体就有用。流场中执行器盘体的操作以虚拟盘体上分布的源项形式进入动量方程。根据应用领域对执行器操作进行建模。对于虚拟盘体模型，当前可实现四种方法：体积力螺旋桨法，叶片单元法，1D动量法，用户自定义法。作为虚拟盘体模型的一部分，体积力螺旋桨法对船舶螺旋桨的效应进行模拟。

体积力螺旋桨法主要对船体和螺旋桨的流场相互作用进行仿真。螺旋桨引起的流态取决于船体周围的流态。同样，船体流受螺旋桨的影响。体积力螺旋桨法可用作DFBI（动态流体相互作用）模拟的一部分。使用此方法具有明显的优势，可减小网格尺寸，从而降低执行模拟（包括螺旋桨几何）的计算成本。如果不需要螺旋桨周围的详细流场、但需要正确推进指定，此方法十分有用。

2、问题描述

船舶工程的挑战之一是，预测在旋转螺旋桨产生推力的作用下，船体穿水移动的速度。本案例演示模拟船舶在螺旋桨产生推力的作用下穿过静水的运动。螺旋桨布置在船尾中部，转速为2300 rpm。由于涡流和压力梯度的原因，这些类型模拟中的螺旋桨效力会显著影响船身性能，因此非常重要。模型如下：

     

3、软件设置

 

     （1）选择物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分离流求解器来求解瞬态雷诺平均纳维－斯托克斯方程。在激活流体域体积(VOF) 模型后，选择VOF波，来设置水面初始波的数据。物理模型的选择如下：

（2）定义动态流体固体相互作用(DFBI)；动态流体固体相互作用 (DFBI) 模型根据作用力来模拟船运动。对于此模拟，允许船以两个自由度移动，以便考虑升沉和纵倾。

a、右键单击Tools> Motions选项，选择新建DFBIRotation and Translation；

b、将此运动分配给虚拟拖曳试验池区域：在Regions> Virtual Towing Tank > Physics Values > Motion Specification节点，选择DFBIRotation and Translation，一个新的DFBI 节点将出现在模拟树中。

c、右键单击DFBI > 6-DOFBodies，选择New Body > 3D >Continuum Body，将其命名为ship，在ship的属性设置船体质量，释放时间，缓冲时间等；展开6-DOF Bodies >Ship > Initial Values node，设置质心，转动惯量，激活使用质心；

（3）使用虚拟盘模型进行螺旋桨建模；

使用螺旋桨的虚拟盘需要您定义以下项目：

•盘的尺寸和位置；

•盘轴线方向。此方向定义推力的方向；

•螺旋桨性能数据，此处的推力系数 K_T 和扭矩系数 K_Q 是进程比 J 的函数；

•获得虚拟盘流入表面平均速度和密度的速度平面；

a、右键单击Continua > Physics 1 >Models > Virtual Disk > Virtual Disks node a节点，选择 N新建虚拟盘；

b、将虚拟盘的类型设置为Body Force Propeller Method；

c、在您可以指定螺旋桨曲线之前，必须将螺旋桨表格数据文件（此处是 .csv 格式）导入STAR-CCM+；右键单击Tools > Tables 选择新建 Table > File Table。流入平面偏移是虚拟盘直径的 10%。虚拟盘的设置完属性如下：

注意必须将定义推力方向的坐标系属性与船体的局部坐标系相关联，此处确定为 Ship-CSys。此关联建立了虚拟盘产生的推力与船 DFBI 运动的联系。该船坐标系根据 DFBI 模型计算的流体力随船移动。

（4）应用船推力；为了将虚拟盘生成的推力应用于船，需要创建 6 自由度船体外力。要为船应用虚拟盘推力：

a、右键单击DFBI > 6-DOF Bodies >Ship > External Forces and Moments节点选择新建Virtual Disk Force；

b、在ExternalForces and Moments > VirtualDiskForce 1 节点，设定Virtual Disk 为VirtualDisk.，这样虚拟盘生成的力现在与船体相关联起来了。

       （5）定义欧拉相；在连续体continuum中，右键单击Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 节点，创建新相，把新相命名为H2O，在H2O节点选择液体和恒密度模型。同样的方式设置空气相，选择气体和恒密度模型，定义完的欧拉相如下：
      （6）设置VOF波；在模拟期间，自由表面水位随时间的变化而变化。 STAR-CCM+ 提供可让您指定波初始条件和边界条件的 VOF波模型。此处，在静水中拖曳船。右键单击Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves> Waves，选择New > Flat，在出现的Flat Vof Wave 1节点设置流和风的速度；设置完Flat Vof Wave 1的属性如下

      （7）设置初始条件；设置压力、速度和体积分数的初始条件。

    

（8）阻尼波反射；在流动阻力模拟时发生波反射。波反射有两个来源：一是来自边界的波反射，二是由于突兀的网格过渡造成的波反射，为了避免这些波反射与真正的波场相互作用，从而导致结果无效。STAR-CCM+提供了 VOF 波阻尼功能。要在边界处激活VOF 波阻尼，在Regions > VirtualTowing Tank > Physics Conditions > VOF Wave Zone Option节点，激活Damping，在Regions> Virtual Towing Tank > Physics Values > VOF Wave Damping Length节点，把波阻尼长度设置为15m。

（9）设置边界条件；流体域的边界条件设置类型如下：

 

在Regions > Domain > Boundaries > Aft节点，属性设置如下：

        同时选择Forward, Port和Starboard，属性设置如下：

      出口的边界条件设置如下：

（10）由于本案例是瞬态模拟，因此需要设置时间步、各时间步内允许的最大内部迭代次数以及获得求解所用的总体物理时间。选择Solvers> Implicit Unsteady节点，然后将时间步设为0.042s。6自由度求解器最大迭代次数设置为7，最大内部迭代设置为10，将最大物理时间设置为80s；

（11）运行模拟；计算结果如下：

                                                 无静压分量的压力分布

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