專利名稱：一種模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及計算流體力學(CFD Computational Fluid Dynamics)應用領域中的一種數(shù)值方法，具體是一種模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值方法。
背景技術(shù)：
在船舶的各種推進裝置中，螺旋槳因具有結(jié)構(gòu)相對簡單、推進效率高的特點，并且擁有較長的發(fā)展歷史和實驗經(jīng)驗，因而成為目前國際上最主要的船舶推進器。螺旋槳由多個槳葉組成，旋轉(zhuǎn)的槳葉在水中產(chǎn)生推力，其原理類似于飛行器機翼產(chǎn)生升力。而船舶螺旋槳和飛行器機翼的尾跡流場有較大差別。船舶螺旋槳的尾跡流場被稱作伴流場，是一個充 滿旋潤流動的不可壓縮(vortex-dominated incompressible)流場。圖I以一個槳葉為例給出了船舶螺旋槳伴流場的流動模式。槳葉尖端的一條流動跡線表示出，伴流場中以纏繞螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動的宏觀的無粘流動。此外，槳葉的表面流體的粘性邊界層的脫落會形成另一類粘性流特性的旋渦，被稱作脫落渦。伴流場的旋渦流動是不穩(wěn)定流動，會對船體誘導產(chǎn)生不穩(wěn)定性壓力脈動影響，同時，伴流場的旋渦運動會對螺旋槳產(chǎn)生空化影響，使螺旋槳表面受到損壞。因而螺旋槳和船舶的設計必須對螺旋槳的伴流場的特性進行精確的研究。對于螺旋槳的伴流場有多種研究手段。其中，計算機的數(shù)值模擬技術(shù)有著重要地位，是計算流體力學在該領域的一個擴展應用。計算流體力學綜合了流體力學、應用數(shù)學、計算機科學，是一門應用性極強的學科。流體力學問題的數(shù)值模擬以其低成本、直觀性強的優(yōu)勢，在流體流動的機理探索、工業(yè)產(chǎn)品設計等各個相關(guān)領域占據(jù)重要地位。直升機旋翼尾跡的數(shù)值模擬面臨的最大的問題和挑戰(zhàn)之一即是如何提高數(shù)值模擬的精度，降低誤差，忠實地表現(xiàn)翼尖渦流動的特性。影響流體力學問題的數(shù)值模擬的精度的重要因素之一是當使用數(shù)值方法求解流體控制方程，即歐拉(Euler)方程或者納維爾-斯托克斯(Navier-Stokes)方程時,會產(chǎn)生數(shù)值耗散(numerical diffusion),造成數(shù)值解的誤差。例如數(shù)值方法中對控制方程的對流項的空間離散方法(如中心差分、迎風差分)、時間離散方法(如顯示時間積分、隱式時間積分)、湍流模型(如雙方程模型、大渦模擬)的使用，以及計算網(wǎng)格正交性都會產(chǎn)生不同程度的數(shù)值耗散。此外，數(shù)值模擬中還經(jīng)常要使用一種人工數(shù)值耗散(artificial diffusion)技術(shù)，其目的是通過適當降低計算精度而獲得穩(wěn)定的數(shù)值解。數(shù)值耗散對流場的數(shù)值模擬結(jié)果的最明顯的影響體現(xiàn)在對流動變量的不連續(xù)界面(discontinuity)的捕捉。流場中一種強不連續(xù)的界面的捕捉，例如激波(shock)的捕捉，即是依靠加入適量的人工耗散項，以避免數(shù)值解在流動變量梯度變化較大的地方出現(xiàn)數(shù)值振蕩現(xiàn)象。數(shù)值耗散可以理解為是流場中的一種能量損失，這種能量損失在某種程度上使得數(shù)值模擬結(jié)果不能忠實的體現(xiàn)流體的流動特性，降低了計算精度。先進的數(shù)值方法應該是在保證獲得穩(wěn)定性的數(shù)值解的前提下，將數(shù)值耗散減至最小。激波是強間斷界面，對其捕捉必須加入一定的人工數(shù)值耗散。因為激波前后存在熵增，即能量的損失，所以，通過加入適當?shù)娜斯?shù)值耗散捕捉激波具有合理的物理意義。但是，諸如船舶螺旋槳伴流場一類的流動，存在著流場中另一類流動不連續(xù)現(xiàn)象，即接觸不連續(xù)(contactdiscontinuity)。旋渦的產(chǎn)生和其周圍的流體產(chǎn)生一個不連續(xù)面。這個接觸不連續(xù)面相對激波而言是弱不連續(xù)，跨過不連續(xù)界面，壓力和法向速度是連續(xù)的。數(shù)值模擬中對于這種接觸不連續(xù)的捕捉更加困難，因為數(shù)值方法中的數(shù)值耗散即使很小也會使弱不連續(xù)界面變得模糊，降低數(shù)值解對流場的預測精度，這也是船舶螺旋槳伴流場一類的旋流場的數(shù)值模擬技術(shù)成為CFD領域的重大挑戰(zhàn)的原因。為了提高船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值模擬的精度，一種方法是加密計算網(wǎng)格，在更加細小的空間尺度內(nèi)求解流體控制方程。加密計算網(wǎng)格首先會使計算量加大，增加計算成本。此外，數(shù)值計算的誤差隨著計算網(wǎng)格的增加會不斷積累，在一定程度上造成相反的效果。另一種方法是在流場中采用物理模型來增加流場中描述旋流流動的變量-渦量(vorticity)的強度。例如在流場中加入點渦模型，可以人為地增加渦量；或者在流場局部直接求解渦量方程，以減小渦量的輸運過程中的耗散。但是，這些方法在應用上仍受到一定限制。點渦模型是在預先明確旋渦發(fā)生位置的前提下才能使用，僅適合一些簡單的流動現(xiàn) 象。除了二維不可壓縮正壓流場，渦量方程比與欲求解的Euler、Navier-Stokes方程更為復雜。二十世紀初期,美國科學家John Steinhoff提出了一種提高不可壓縮旋流場的求解精度的數(shù)值方法，潤量限制法(Vorticity Confinement)。該方法的原理是依靠在流場中加入限定的渦量以抵消數(shù)值耗散來模擬旋流場的流動狀態(tài)。具體表現(xiàn)形式是在流體控制方程的動量方程中的源項位置，加入一個渦量形式的體積力項，從數(shù)值耗散中將渦量減去，克服數(shù)值耗散造成的旋渦場的接觸不連續(xù)界面的模糊，從而更精確地捕捉旋渦結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)提高旋渦場的計算精度的目的。原始的渦量限制法是公知的，這里不再敘述。盡管該方法在捕捉不可壓縮流場中的接觸不連續(xù)的方面已經(jīng)取得了明顯的改進效果，但存在以下缺陷I.對加入的渦量調(diào)整完全靠系數(shù)ε ；2.加入的渦量的空間離散精度是被限定的，無法進一步提高；3.源項對動量方程的數(shù)值解的收斂的穩(wěn)定性影響是不確定的。為了更加精確地模擬直升機旋翼尾跡的流動-不可壓縮粘性流的旋渦運動，需要進一步改進對于流場中接觸不連續(xù)的捕捉機制。一種途徑是根據(jù)不可壓縮流的特點，改進在流場中通過加入渦量來抵消數(shù)值耗散的內(nèi)在工作機理，通過保持渦量的精度，更精確地用模擬流場中的旋渦運動，形成一種新的，針對船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值模擬技術(shù)，渦量保持技術(shù)(Vorticity Refinement)。該技術(shù)可以使?jié)櫫康目臻g離散具有高階精度的格式,同時該可以利用源項增進收斂進程的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及計算流體力學的應用領域中一種模擬船舶螺旋槳伴流場的流動，即不可壓縮粘性旋流流動的數(shù)值方法，具體是根據(jù)不可壓縮流的特點，在流場中通過加入兩種不同形式的渦量力來抵消數(shù)值耗散的數(shù)值方法。該方法可以使加入的渦量的空間離散具有高階精度的格式，同時還可以利用源項增進數(shù)值解的收斂進程的穩(wěn)定性。通過保持渦量的精度，更精確地模擬流場中的旋渦運動，是一種新的模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值模擬技術(shù) _ 潤量保持技術(shù)(Vorticity Refinement)。首先寫出船舶螺旋槳伴流場流動的控制方程，即不可壓縮、粘性流流動的控制方程，包括連續(xù)方程和動量方程，分別為
權(quán)利要求
1.一種模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值方法，其特征在于在不可壓縮流的動量方程中加入兩種不同形式的力，分別是渦量在變化梯度方向的螺旋力:和渦量在變化梯度方向的粘性耗散力屯。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值方法，其特征在于所述的渦量在變化梯度方向的螺旋力或的形式是
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值方法，其特征在于所述的渦量變化梯度方向的粘性耗散力δ2的形式是。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述渦量在變化梯度方向的螺旋力的形式通過高斯定理，將計算網(wǎng)格單元內(nèi)的力的積分形式轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎憔W(wǎng)格表面通量的積分形式，并且保留在動量方程等號的左邊，采用二階以上空間離散精度進行空間離散。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦量在變化梯度方向的粘性耗散力的形式保留在動量方程右邊的源項位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦量在變化梯度方向的螺旋力的放大系數(shù)S1，其特征在于ε 的范圍為 O. 05 < ε j < O. 07。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦量在變化梯度方向的粘性耗散力的放大系數(shù)ε2，其特征在于ε 2的范圍為O. 03 < ε 2 < O. 05。
全文摘要
本發(fā)明是一種模擬船舶螺旋槳伴流場的數(shù)值方法。根據(jù)不可壓縮流的特點，在動量方程中通過加入兩種不同形式的力，以提高一類以旋渦運動為主的流場的數(shù)值模擬精度。這兩種形式的力分別是渦量在變化梯度方向的螺旋力和渦量在變化梯度方向的粘性耗散力。該方法使計算網(wǎng)格內(nèi)的渦量在變化梯度方向的螺旋力的積分計算轉(zhuǎn)化為計算網(wǎng)格邊界上的上的力的通量計算，可以使其空間離散具有高階精度的格式；同時動量方程的源項保留渦量在變化梯度方向的粘性耗散力，用來提高數(shù)值解的收斂性和穩(wěn)定性。這兩個力采用不同的放大系數(shù)，可以進一步保持渦量的精度，更精確地用模擬船舶螺旋槳伴流場的旋渦運動。
文檔編號G06F17/50GK102945293SQ20121036690
公開日2013年2月27日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月30日
發(fā)明者路明 申請人:天津空中代碼工程應用軟件開發(fā)有限公司