舰船螺旋桨数值模拟中不同网格类型的比较

关键 词 ：螺旋 桨 ；数 值 模 拟 ； 网格 类 型 ；效 率 ；预 报 准 确 性
中 图 分 类 号 ：Ｕ６６１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ： １６７２—７６４９（２０１８）０４—００３３—０６
ｄｏｉ：１０．３４０４￣．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１ ８．０４．００７
日前常 的 ３种非结 构 网格有 四面体 网格 （Ｔｅｔｒａ． ｈｅｄｒａｌ ｍｅｓｈ） 、修 剪 网 格 （Ｔｒｉｍｍｅｄ ｃｅｌ１）以及 多 面 体 网 格 （Ｐｏｌｙｈｅｄｒａｌ ｍｅｓｈ）。针 对 复 杂 结 构 的 流 场 ，非 结 构 网 格 生 成 方 法 具 有 较 高 的 鲁 棒 性 以及 效 率 来 获 得 高 质 量 的 网 格 。 以 上 所 述 也 正 是 非 结 构 网 格 ”得 到 广 泛 应 Ｊ｝＿Ｈ的 原 『大】。然 而 ，考 虑 到 ３种 不 同非 结 构 网格 的 形 状 特 性 ，选 择 不 同 的 网 格 类 型 对 研 究 不 同 问 题 的 数 值结 果 可 能 有 不 同程 度 的 影 响 。文 献 ［１２］在 对 船 舶 龙 骨 的 水 动 力性 能 的 研 究 中 比较 使 用 了 四 面体 网 格 和 修 剪 网 格 。 而 对 于 系 统 全 面 地 比较 这 ３种 非 结 构 网 格 的 文 章 则 非 常 少 。 众 所 周 知 ，对 于 在 数 值 研 究 领 域 的 ＿【二作 者 ， 在 开 始 新 问 题 的 研 究 之 前 ，］ 作 重 点 之 一 就 是 要 分 析 问 题 ，然 后 决 定 选 择 哪 一 种 网 格 类 型 。 看 似 简 单 的 ＿］ 作 其 实 影 响 着 ＣＦＤ计 算 的 各个 方 面 。 因此 ，本 研 究 最 单 纯 的 目的 就 是 为 数 值 模 拟 领 域 的 ＿Ｔ作 人 员在 对 复 杂 流 场 的 模 拟 时 根 据 不 同 问 题 选 择 网格 类 型 提 供 一 个参 考 。
第 ４０卷 第 ４期 ２０１８年 ４月
舰 船 科 学 技 术
ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮ Ｄ ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ
Ｖｏ１．４０．ＮＯ．４ Ａｐｒ．，２０１８
舰船螺旋桨数值模拟中不 同网格类型的比较
姚 慧岚 ．－，张 怀新 ， （１．上海 交通 大 学 海洋 工程 国 家重点 实验 室 ，上海 ２００２４０；
２．高性 能船 舶 与深 海开发 协 同创 新 中心 ，上海 ２００２４０）
摘 要 ：不同 网格类型 的使 用对 螺旋桨不 同问题数值 模拟 的各个方 面都 有重要影响 。在 ＳＴＡＲ．ＣＣＭ＋平 台上 ， 使 用 ＲＡＮＳ方 法 ＳＳＴ ｋｃｏ模 型 对 第 ２７届 ＩＴＴＣ指 定 螺 旋 桨 进 行 了数 值 模 拟 ，并 从 网 格 生 成 效 率 、 网格 计 算 效 率 、预 报 准 确 性 等 ３个 方 面 对 ３种 主 流 的 非 结 构 网 格 进 行 比较 。 预 报 准 确 性 的 比较 又 从 宏 观 （螺 旋 桨 推 力 和 扭 矩 ）和微 观 （涡 结 构 、尾 流 压 力 场 、局 部 流 场 ）２个 方 面 进 行 。 使 用 ３套 不 同 粗 细 的 网格 分 析 了 ３种 网 格 数 量 变 化 对 数 值 结 果 的影 响 。 结 果 表 明 ：四 面体 网格 具 有 最 高 的 网格 生 成 效 率 和 网格 计 算 效 率 ，但 细 节 预 报 最 差 ，网格 数 量 变 化 对 结 果 影 响 大 ；修 剪 网格 的生 成 效 率 和 计 算 效 率 处 在 二 者 之 间 ，但 对 流 场 细 节 的 预 报 最 好 ；多 面 体 网格 的生 成 效 率 和 计 算 效 率 都 最 低 ，而 细 节 的 预报 处在 二者 之 间 ，网 格 数 量 变 化 对 结 果 影 响 最 小 。
１ 数 值 方 法
１．１ 研 究 对象 根 据 第 ２７届 ＩＴＴＣ推 进 委 员会 的 建 议 ，本 文 选 择
常 规 桨 ＶＰ１ ３０４（亦 称 ＰＰＴＣ 桨 ）进 行 研 究 。 该 桨 由 ＳＶＡ在 Ｐｏｔｓｄａｍ Ｍｏｄｅｌ Ｂａｓｉｎ设 计 。为 了避 免 桨 叶 与 桨
轴 之 间 的 间 隙 （可 调 螺 距 桨 ）对 数 值 结 果 产 生 负 面 影 响 ，本 文 对 该 间 隙 进 行 了填 补 处 理 。 对 于 该 桨 ，有 大 量 的 实验 数 据 可 用 来 对 数 值 结 果 进 行 验 证 。 图 １为 该 桨 的 几何 模型 和主尺 度要素 。图 ２为数值模 拟的计算 域 ，其 中 Ｄ 为 螺 旋 桨 的 直 径 。左 侧 为 速 度 入 口 ，右 侧 为 压 力 出 口 。除 旋 转 域 外 ，还 有 网 格 过 渡 区 、尾 流 捕 捉 区 等 。过 渡 区 和 尾 流 区 的 设 计 主要 是 用 来 捕 捉 螺 旋 桨 的 泄 涡 。 ３为 过 螺 旋 桨 几何 中心 某 一 剖 面 上 的 网 格 （修 剪 网 格 ）。可 以 看 出 ，对 桨 叶 附 近 、旋 转 域 、 过 渡 、尾 流 区 的 网 格 进 行 不 同程 度 加 密 。 注 意 ，过 渡 区 包 含着 整 个 旋 转 域 ．使 用 统 一 单 元 尺 寸设 置 可 以 在 交 界 面 上 生 成 共 形 网格 ，以 减 少 数 据 交 换 带 来 的 误 差 。 速 度 入 口 的 速 度 值 根 据 下 式 计 算 Ｖ＝ＪＮＤ ， 其 中 为 进 速 系 数 ，ＪＶ为 转 速 。 根 据 实 验 条 件 ，螺 旋 桨 转 速 为 １ ５ ｒｐＳ； 螺 旋 桨 进 速 系 数 为 ０．６，０．８， １．０，
本 文在 螺 旋 桨 的 数 值 模 拟 中 ，对 ３种 主 流 的 非 结 构 网 格 进 行 了大 量 的 比较 ，从 网格 生 成 效 率 、 网格 计 算 效 率 到 计 算 的 准 确 性 等 。 其 中 ，计 算 的 准 确 性 又 从 ２个 方 面 进 行 比较 ，宏 观 量 （螺 旋 桨 推 力 和 扭 矩 ）和 微 观 量 （涡 结 构 、尾 流 压 力 场 和 局 部 流 场 ）。 为 了更 清楚地 说明问题 ，每组 比较都 在 ３套 不 同粗 细的 网格 上 进 行 ，并 分 析 了 网格 数 量 变 化 对 数 值 结 果 的 影 响 。 网格 划 分 和 数 值模 拟 丁作 都 在 双 精 度 的 ＳＴＡＲ．ＣＣＭ＋平 台 Ｅ进行
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ； ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｍ ｅｓｈ ｔｙｐｅ；ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｆ ｉ ｃｉｅｎｃｙ； ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｃｃｕ ｒ ａｃｙ
０ 引 言
舰 船 螺 旋 桨 相 关 问 题 的 研 究 一 直 以来 都 是 最 具 挑 战性 的 问题 之一 。在过去很 长一段 时间 内，螺旋桨 的 性能 、激 振力 、噪声等 问题只能通过实验方法 ［１ 来研 究 。随着 相关理论 知识 的完 善 ，研究 者开始使 用升力
ｐｅｌｌｅｒ ｕｓｉｎｇ ＲＡＮＳ ｍｅｔｈｏｄ（ＳＳＴ ｋ￣ｏ ｍｏｄｅ１），ａｎ ｄ ａ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙ ｃｏｍｐａｒ ｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｒｅｅ ｍａｉｎ ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｍｅｓｈ ｔｙｐｅｓ
ｗａｓ ｍａｄｅ ｆｒｏｍ ｔｈｒｅｅ ａｓｐｅｃｔｓ：ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ；ｍｅｓｈ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｆ ｉ ｃｉｅｎｃｙ；ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ
收 稿 日期 ：２０１７—０６—１９ 基 金 项 目：国家 自然 科学 基金 资助 项 目（５１４７９１１６，ｌ１２７２２１３） 作 者 简介 ：姚慧 岚 （１９８８一），男 ，博 士研 究生 ，研 究方 向为 船舶 水动 力学 。
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舰 船 科 学 技 术
第 ４０卷
说 ，ＣＦＤ 汁 算 网 格 分 为 结 构 网 格 和 非 结 构 网 格 两 大 类 文 献 ［６】通 过 对 敞水 螺 旋 桨 进 行 数 值 模 拟 比 较 了结 构 网 格 和 非 结 构 网格 （四面 体 网 格 ）的 优 缺 点 。 实 际 上 ，对 于 复 杂 结 构 来 说 ，获 得 结 构 网格 所 需 的 努 力 比 获 得 非 结 构 网 格 要 大 得 多 。 尽 管 目前 很 多 商 业 软 件 ， 比如 Ｇａｍｂｉｔ，ＩＣＥＡＭ ＣＦＤ，ＴｒｕｅＧｒｉｄ等 ，提 供 了强 大 的 结 构 网格 划 分 Ｔ具 ，但 是 半 自动 化 的 网 格 划 分 方 法 仍 然 需 要 大 量 的 时 间 才 能 获 得 高 质 量 的 结 构 网 格 。在 文 献 【７］中 ，使 用 ｒ ７０个 左 右 的块 结 构 来 离 散 螺 旋 桨 的 旋转 区域 。众所周知 ，使用 多块 结构 能得到较 高质量 的 结 构 网 格 ，但 是 增 加 块 结 构 的 数 量 并 凋 整 每 一 个 块 结 构 的 位 置 非 常 耗 时 。 对 于 舰 船 螺 旋 桨 来 说 ， 复 杂 扭 ｌ｝ｆ｛的 结 构 正 是 限 制 网格 质 量 提 升 的 主要 原 因 。
线 、升 力 面 、 面元 法 等 势 流 方 法 ［３ 来 研 究 螺 旋 桨 的 相 关 问题 。 近 年 来 ， 随着 计 算 机 性 能 的 提 升 以及 ＣＦＤ计 算 的快速发展 ，越来越 多的研究 者使用 ＲＡＮＳ方法ｆ４ １ 对螺旋桨相关问题进行数值研究 。
尽管 ＣＦＤ技术 在不断进 步 ，但是 网格 问题仍 然是 影 响 ＣＦＤ计 算准 确 性 的最 重要 的 因素之 一 。一 般来
ｏｆ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｗａｓ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｗ ｏ ａｓｐｅｃｔｓ：ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ（ｔｈｒｕｓｔ ａｎｄ ｔｏｒｑｕｅ）ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ （ｖｏｒｔｅｘ，ｗａｋｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｌｏｃａｌ ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ）．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｍｅｓｈ ｎｕｍｂｅｒ ｖａｒ ｉａｔｉｏｎ ｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ＵＳ－
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍ ｅｓｈ ｔｙｐｅｓ ｈａｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ａｌｌ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏ· ｐｅｌｌｅｒ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ．Ｏｎ ｔｈｅ ＳＴＡＲ—ＣＣＭ ＋ ｐｌａｔｆｏｒｍ．ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｃａ￣ｉｅｄ ｏｕｔ ｆ ｏ ｒ ｔｈｅ ２７ ＩＴＴＣ ｄｅｓｉｇｎａｔｅｄ ｐｒｏ—
ｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｓｅｔｓ ｏｆ ｍｅｓｈｅｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ：ｔｈｅ ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ ｍｅｓｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔａｉｌｓ ｉｓ ｔｈｅ ｗｏｒｓｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｓｈ ｎｕｍｂｅｒ ｃｈａｎｇｅ ｈａｓ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ；ｔｗ ｏ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｆｉ ｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒｉｍｍ ｅｄ ｍｅｓｈ ａｒｅ ｓｅｃｏｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ ｍ ｅｓｈ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｐｒｅ— ｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｔａｉｌｓ ｉｓ ｔｈｅ ｂｅｓｔ；ｔｈｅ ｐｏｌｙｈｅｄｒａｌ ｍ ｅｓｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａ ｎ ｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｆ ｉ ｃｉｅｎｃｉｅｓ，ａ ｎ ｄ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｄｅｔａｉｌｓ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｉｓ ｓｅｃｏｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｒｉｍｍ ｅｄ ｍｅｓｈ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｍ ｅｓｈ ｎｕｍｂｅｒ ｃｈａｎｇｅ ｈａｓ ｍ ｉｎｉｍａｌ ｉｍｐａｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．
Ｃｏｍ ｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍ ｅｓｈ ｔｙｐｅｓ ｉｎ ｎｕｍ ｅｒｉｃａｌ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｈｉｐ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ
ＹＡＯ Ｈｕｉ－ｌａｎ ．ＺＨＡＮＧ Ｈｕａｉ－ｘｉｎ ’
（１．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｏｃｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｓｈｉｐ ａｎｄ Ｄｅｅｐ－Ｓｅａ Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ（ＣＩＳＳＥ），Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）