提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算精度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算精度的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料螺旋槳的研究工作從上世紀(jì)60年代開(kāi)始，發(fā)展至今，相比于傳統(tǒng)金屬螺 旋槳其輕質(zhì)、高比剛度、高比強(qiáng)度、耐腐蝕等特性正逐漸應(yīng)用到高性能艦船領(lǐng)域，在不久的 將來(lái)將取代傳統(tǒng)的金屬螺旋槳。但是由于復(fù)合材料的變形特性，需要同時(shí)考慮流體與結(jié)構(gòu) 的影響，大大增加了研究工作的難度。隨著水下探測(cè)設(shè)備在精度和探測(cè)距離方向的不斷發(fā) 展，對(duì)艦船的隱身性能和航行環(huán)境提出了更加苛刻的要求，復(fù)合材料螺旋槳的研究工作正 面臨著前所未有的難度與高度。
[0003] 復(fù)合材料螺旋槳的研究工作分為試驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值計(jì)算，試驗(yàn)研究結(jié)果 較為可靠，但是由于復(fù)合材料制備工藝復(fù)雜、以及試驗(yàn)條件的限制，試驗(yàn)研究不適合進(jìn)行大 量研究工作。在理論研究方面，由于復(fù)合材料螺旋槳涉及流體性能與結(jié)構(gòu)性能兩大方向，耦 合方程直接求解困難。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高和數(shù)值求解方法的不斷完善，數(shù)值計(jì)算方式 逐漸應(yīng)用于復(fù)合材料螺旋槳的預(yù)報(bào)工作。然而復(fù)合材料螺旋槳的數(shù)值研究工作還不夠完 善，計(jì)算精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需不斷改進(jìn)算法提高精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決復(fù)合材料螺旋槳的數(shù)值研究工作涉及的流固耦合計(jì)算 精度低的問(wèn)題，而提出一種提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算精度的方法。
[0005] -種提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算精度的方法，所述方法通過(guò)以下步驟實(shí) 現(xiàn)：
[0006] 步驟一、使用三維CAD建模軟件建立復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型；
[0007] 步驟二、在網(wǎng)格處理器中為復(fù)合材料螺旋槳?jiǎng)?chuàng)建流體計(jì)算域并劃分網(wǎng)格；
[0008] 步驟三、采用基于RANS方程的計(jì)算流體力學(xué)軟件，進(jìn)行設(shè)置復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng) 力性能求解參數(shù)、定義流固耦合面以及設(shè)置求解時(shí)間步的過(guò)程；
[0009] 步驟四、在ACP中定義纖維增強(qiáng)材料的彈性常數(shù)、鋪層角度，對(duì)螺旋槳槳葉進(jìn)行鋪 層，鋪層后生成含有復(fù)合材料屬性及鋪層特性的復(fù)合材料螺旋槳槳葉網(wǎng)格文件；
[0010]步驟五、劃分槳轂有限元網(wǎng)格；
[0011] 步驟六、合并槳葉復(fù)合材料網(wǎng)格與槳轂網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)求解器中定義固定約束條件、 定義流固耦合面、設(shè)置求解時(shí)間步；
[0012] 步驟七、建立復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算方程，定義流固耦合面及耦合順序，設(shè) 置流固耦合計(jì)算時(shí)間步及結(jié)束時(shí)間；
[0013] 步驟八、在第一個(gè)時(shí)間步內(nèi)求解復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算方程，求得復(fù)合材 料螺旋槳槳葉變形量和水動(dòng)力性能；
[0014] 步驟九、根據(jù)求得的槳葉變形量對(duì)流體計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分；
[0015] 步驟十、調(diào)用編寫(xiě)的UDF程序，控制變形后復(fù)合材料螺旋槳流體計(jì)算域的邊界層網(wǎng) 格；
[0016] 步驟十一、進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步，對(duì)變形后的復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行流固耦合計(jì)算，求 解復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形量和水動(dòng)力性能；
[0017] 步驟十二、重復(fù)步驟九到十一，在流固耦合終止時(shí)間步結(jié)束流固耦合計(jì)算。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為
[0019] 復(fù)合材料螺旋槳流固耦合方式計(jì)算過(guò)程中，在一個(gè)時(shí)間步完成后，螺旋槳槳葉發(fā) 生變形，流體計(jì)算域內(nèi)的網(wǎng)格需要重新劃分以適應(yīng)新的邊界，網(wǎng)格重新劃分后螺旋槳槳葉 表面的第一層邊界層厚度發(fā)生變化，如果不加以控制，則不能保證水動(dòng)力性能的計(jì)算精度， 即使計(jì)算得到收斂，計(jì)算結(jié)果也不準(zhǔn)確，因此需要對(duì)每個(gè)時(shí)間步后槳葉面的邊界層進(jìn)行控 制，提高計(jì)算準(zhǔn)確性及精度。本發(fā)明利用UDF控制每個(gè)時(shí)間步內(nèi)的邊界層高度，提高每個(gè)時(shí) 間步計(jì)算的水動(dòng)力性能計(jì)算精度，從而保證流固耦合計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0020] 同時(shí)，考慮流固耦合變形后流體計(jì)算的邊界層問(wèn)題，在網(wǎng)格重構(gòu)過(guò)程中考慮邊界 層高度并重新劃分，有利于提高水動(dòng)力的計(jì)算精度，可使收斂速度加快保證流固耦合計(jì)算 的準(zhǔn)確性。
[0021] 考慮不同工況下的來(lái)流情況，在UDF中加入螺旋槳雷諾數(shù)的計(jì)算公式，能夠準(zhǔn)確計(jì) 算邊界層高度，更有利于提高水動(dòng)力計(jì)算準(zhǔn)確性。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明的流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0023]【具體實(shí)施方式】一：
[0024]本實(shí)施方式的提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算精度的方法，由于纖維的各向異 性，復(fù)合材料螺旋槳槳葉鋪向角度和厚度的改變也會(huì)使整個(gè)槳葉的彈性參數(shù)發(fā)生變化，不 能單獨(dú)使用一組參數(shù)定義復(fù)合材料槳葉的材料屬性，需借助復(fù)合材料前處理工具設(shè)置槳葉 的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，所述方法通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0025]步驟一、使用三維CAD建模軟件建立復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型；
[0026] 步驟二、在網(wǎng)格處理器中為復(fù)合材料螺旋槳?jiǎng)?chuàng)建流體計(jì)算域并劃分網(wǎng)格；
[0027] 步驟三、采用基于RANS方程的計(jì)算流體力學(xué)軟件，進(jìn)行設(shè)置復(fù)合材料螺旋槳水動(dòng) 力性能求解參數(shù)、定義流固耦合面以及設(shè)置求解時(shí)間步的過(guò)程;其中，RANS是雷諾平均的 Navier-Stokes方程的簡(jiǎn)稱(chēng)；
[0028] 步驟四、在ACP中定義纖維增強(qiáng)材料的彈性常數(shù)、鋪層角度，對(duì)螺旋槳槳葉進(jìn)行鋪 層，鋪層后生成含有復(fù)合材料屬性及鋪層特性的復(fù)合材料螺旋槳槳葉網(wǎng)格文件；
[0029]步驟五、劃分槳轂有限元網(wǎng)格；
[0030] 步驟六、合并槳葉復(fù)合材料網(wǎng)格與槳轂網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)求解器中定義固定約束條件、 定義流固耦合面、設(shè)置求解時(shí)間步；
[0031] 步驟七、建立復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算方程，定義流固耦合面及耦合順序，設(shè) 置流固耦合計(jì)算時(shí)間步及結(jié)束時(shí)間；
[0032] 步驟八、在第一個(gè)時(shí)間步內(nèi)求解復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算方程，求得復(fù)合材 料螺旋槳槳葉變形量和水動(dòng)力性能；
[0033] 步驟九、根據(jù)求得的槳葉變形量對(duì)流體計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分；
[0034] 步驟十、調(diào)用編寫(xiě)的UDF程序，控制變形后復(fù)合材料螺旋槳流體計(jì)算域的邊界層網(wǎng) 格；
[0035] 步驟十一、進(jìn)入下一個(gè)時(shí)間步，對(duì)變形后的復(fù)合材料螺旋槳進(jìn)行流固耦合計(jì)算，求 解復(fù)合材料螺旋槳槳葉變形量和水動(dòng)力性能；
[0036] 步驟十二、重復(fù)步驟九到十一，在流固耦合終止時(shí)間步結(jié)束流固耦合計(jì)算。
[0037]【具體實(shí)施方式】二：
[0038]與【具體實(shí)施方式】一不同的是，本實(shí)施方式的提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì)算精 度的方法，步驟一所述使用三維CAD建模軟件建立復(fù)合材料螺旋槳的幾何模型的過(guò)程為，螺 旋槳所在的坐標(biāo)系為笛卡爾坐標(biāo)系，取X軸為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸，X軸正方向?yàn)閬?lái)流方向，Y軸 為螺旋槳主槳葉所在的坐標(biāo)軸，Z軸遵守右手定則。
[0039]【具體實(shí)施方式】三：
[0040] 與【具體實(shí)施方式】一或二不同的是，本實(shí)施方式的提高復(fù)合材料螺旋槳流固耦合計(jì) 算精度的方法，步驟二所述在網(wǎng)格處理器中為復(fù)合材料螺旋槳?jiǎng)?chuàng)建流體計(jì)算域并劃分網(wǎng)格 的過(guò)程為，在網(wǎng)格處理器中為復(fù)合材料螺旋槳?jiǎng)?chuàng)建流體計(jì)算域;其中，
[0041] 流體計(jì)算域分為外域和內(nèi)域；內(nèi)域?yàn)榘菪龢男D(zhuǎn)區(qū)域，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃 分;外域?yàn)殪o止區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分；
[0042] 并在網(wǎng)格劃分軟件中檢查網(wǎng)格質(zhì)量，定義網(wǎng)格邊界;將劃分的網(wǎng)格導(dǎo)入Tgrid中， 劃分復(fù)合材料螺旋槳槳葉表面邊界層網(wǎng)格。
[0043]【具體實(shí)施方式】四：
[0044]與【具體實(shí)施方