采用混合面和滑动网格模型对艇体流场数值分析比较

采用混合面和滑动网格模型对艇体流场数值分析比较
高慧;韩强;姚震球
【摘要】借助CFD软件,对螺旋桨/艇体相互作用的流场进行了数值模拟.采用了混合面模型和滑移网格模型分别对螺旋桨/艇体流场的整体进行计算,揭示了螺旋桨和艇体之间相互作用的内在规律.
【期刊名称】《船舶》
【年(卷),期】2011(022)006
【总页数】4页(P14-17)
【关键词】螺旋桨:艇体;CFD
【作者】高慧;韩强;姚震球
【作者单位】江苏科技大学船舶与建筑工程学院张家港215600;海盐港航管理局嘉兴314300;江苏科技大学船舶与建筑工程学院张家港215600
【正文语种】中文
【中图分类】U661.33
0 引言
在对螺旋桨与艇体相互影响的研究中，如果单独对螺旋桨或者艇体流场进行数值仿真均无法准确预报他们之间的相互关系［1］，而本文采用FLUENT软件对艇体尾部螺旋桨的粘性流场进行数值分析计算，采用SST湍流模型。

在交界面处采用混合面和滑移网格两种处理方法，对螺旋桨和艇体粘性流场进行数值模拟，比较光艇
与含有螺旋桨情况下摩擦阻力的差异，并与ITTC1957公式进行比较，来验证结果的准确性，从而揭示真实螺旋桨和艇体之间相互作用的内在规律。

1 计算模型
1.1 计算网格
采用混合面和滑移网格模型进行螺旋桨/艇体流场的整体计算。

图2中a和b分别为采用混合面法和滑移网格法对螺旋桨区域和艇体区域的交接面，它们的交接面网格并非完全配合。

本文采用结构网格和非结构网格的混合网格。

主艇体及尾流场大部分区域采用O-
H型多块结构网格，即横向为O型网格、纵向为H型网格，如图3所示；而在螺旋桨计算区域附近使用非结构网格，在靠近物面处网格加密，离壁面第一个网格的离壁距离为10-3艇长。

船体区域网格单元数：
轴向×横向×周向=130×80×40。

对于艇体尾部的螺旋桨几何曲率比较大，如果生成结构网格，则可能产生负体积，故采用非结构网格替代［2］。

结构与非结构网格之间采用设置交界面的形式连接。

其中潜艇主附体区域均为结构化网格，见图4；螺旋桨区域为非结构网格，见图5；结构和非结构网格通过设置交界面的形式来连接，见图6。

其中左边是使用混合面的方法，右边使用滑移面的方法。

由于螺旋桨剖面是从中部开始到叶梢不断缩小的，叶稍附近桨叶剖面弦长很小，厚度几乎为0。

考虑到螺旋桨几何的上述特点，为了生成高质量的网格，故在此将叶梢处切掉一小块［3］。

1.2 求解区域与边界条件
本章选取的计算雷诺数为Re=1.61×107。

计算区域为艇艏上游一个艇长的位置，船尾向下游延伸两个艇长处，中轴线向左右各延伸一个艇长的距离。

由于包含螺旋桨的计算流场左右不对称，因此计算区域必须包含整个艇体。

应用混合面模型，由于周向物理量是做平均化处理的，结合本文为四叶桨，因此计算范围可只考虑1/4流场。

而应用滑移网格模型时，由于在交接面上采用插值处理的方式，故螺旋桨区域采用全桨全流道模拟，见图7。

本文计算边界条件的设定为：计算区域的边界分为入口边界、出口边界、远场边界以及物面。

入口边界根据艇模航行速度指定入口速度，出口边界给定静压条件，其压力等于参考压力，在外边界上同样使用速度进口条件，潜艇外表面设定为无滑移条件。

另外还要设定螺旋桨区域的旋转速度，指定旋转轴。

在螺旋桨区域和艇体区域的交接面两侧对于混合面法分别设定压力进口和压力出口条件，而使用滑移面法其交接面设定为Interface类型［4］。

对一般的三维复杂流场区域，计算模型的几何表达和计算区域的网格划分，将花费整个计算过程一半左右的时间。

1.3 数值计算方法
本章采用有限体积法（FVM）对控制方程在时间和空间上进行离散，将其转化为可计算的代数方程。

有限体积法是在每个计算单元上对控制方程进行积分，离散后的方程体现了在每一个计算单元上的流场参数。

时间离散包括每一项在一个时间步长内不同方程的积分。

压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风差分格式。

非定常湍流计算采用二阶隐式时间推进法。

代数方程求解时采用亚松弛迭代，压力速度耦合迭代采用Simple算法，湍流模式选用SST κ-ω。

2 计算结果与分析
2.1 基于混合面法计算结果分析
潜艇在水下航行时所受的总阻力为流体作用力沿运动方向的合力，它主要由作用在潜艇表面的摩擦阻力和艇体首尾压力差产生的粘压阻力组成。

摩擦阻力系数和粘压阻力系数定义如下：
表1为计算所得到的带与不带螺旋桨情况下的潜艇阻力系数以及使用ITTC1957
公式得到的摩擦阻力系数比较。

表1 采用混合面法的艇体阻力系数比较方式不带桨带桨变化%总阻力系数
×103 3.520 5 4.064 2 13.37压差阻力系数×103 0.735 8 1.276 7 73.51摩
擦阻力系数×103 2.786 7 2.794 2 0.3 Cf（IT TC′57）×103 2.801 1 2.801 1 —
从表1可以看出,对于带桨或者不带桨的潜艇，其数值计算得到的摩擦阻力基本保
持不变，计算得到摩擦阻力系数和ITTC1957公式预报值非常接近，说明螺旋桨在艇尾部工作对艇体表面的摩擦阻力的影响并不明显。

之所以存在细微差别，是由于艇体尾部的水流速度增大，使摩擦阻力有所增加。

光艇阻力系数与ITTC1957公式存在差异的主要原因是ITTC1957公式按“平板假定理论”得出，没有考虑到潜艇首尾表面线型的变化。

另外考虑到螺旋桨在旋转过程中产生推力，使得它与光艇的压差阻力相比，带桨艇体压差阻力增加了73.51%，总阻力增加13.37%。

压差阻力的明显变化主要是由于艇体尾部压力的明显增加。

从下页图8和图9可以看出，含有螺旋桨的艇体尾部的压力系数相对光艇而言降
低明显，反映了艇体尾部和螺旋桨之间存在相互影响。

2.2 基于滑移网格法的计算结果分析
采用时间步进获得非定常流动，时间步长取为0.002 s，迭代至4.1 s开始，作用
于艇尾部的螺旋桨升力系数随时间呈周期性变化，我们认为此时已达到稳定的解［5］。

图10为沿艇体表面压力系数积分的收敛历程，表2为采用混合面方法和滑移网格方法时的潜艇总阻力系数、压差阻力系数以及摩擦阻力系数的比较。

表2 采用混合面和滑移网格方法的艇体阻力系数比较方式混合面法滑移网格法总阻力系数×103 4.064 2 4.567 9～4.695 3压差阻力系数×103 1.276 7
1.802 9～1.930 27摩擦阻力系数×103
2.794 2 2.795 3 Cf（ITTC′57）×103
2.801 2 2.801 2
从图10和表2可以看出，螺旋桨的旋转，不会引起艇体表面摩擦阻力的变化，而压差阻力变化却很明显。

采用混合面法和滑移网格法所得结果基本接近，只不过采用滑移网格法更能够反映螺旋桨在转动过程中各项阻力系数的波动。

3 结语
本文应用周向平均的混合面法和滑移网格的方法，对螺旋桨/潜艇粘性流场进行了整体数值模拟。

完成了艇体尾部绕流计算后，比较了不带桨和带桨情况下的摩擦阻力系，并且与ITTC1957公式作了比较，结果较吻合。

本研究工作将进一步向工程应用方面发展，以产生经济效益。

［参考文献］
［1］张楠.潜艇流水孔流场与阻力的数值预报方法与回归分析研究［D］.无锡：中国船舶科学研究中心，2004.
［2］张楠，姚惠之，沈泓萃.潜艇粘流计算发展现状与展望［A］.//中国船舶科学研究中心.CFD技术研讨会文集［C］.2004.
［3］唐登海，董世汤.船舶螺旋桨周围粘性流场数值预报与流场分析［J］.水动力研究与进展（A 辑），1997，12（4）：26-36.
［4］王涛，周连弟，张鑫.轴对称体与导管推进器组合体的三维复杂流场的计算与分析［J］.船舶力学，2003，7（2）：21-32.
［5］张楠，沈鸿萃，姚惠之.潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究.船舶力学，2005，（1）：1-13.。