[发明专利]一种基于OpenFOAM平台的螺旋桨可压缩空化流动数值预测方法

说明书

本发明公开了一种基于OpenFOAM平台的螺旋桨可压缩空化流动数值预测方法，该方法首先建立螺旋桨模型及三维计算流域并划分网格，然后建立由可压缩空化流动控制方程组、热力学模型、可压缩空化模型和可压缩湍流模型组成的可压缩空化流动计算流体动力学模型；其次进行边界条件和计算设置；再进行可压缩空化流场数值计算；最后获得螺旋桨的非定常可压缩空化流场特性，通过求解可压缩空化流动计算流体动力学模型得到螺旋桨流场速度分布、压力分布、相分布和温度分布。本发明能够实现对螺旋桨空化流动诱导压力脉动、压力脉冲、激波等现象的精确模拟，为建立螺旋桨空化破坏预测及控制提供依据。

技术领域

本发明涉及一种基于OpenFOAM平台的螺旋桨可压缩空化流动数值预测方法，属于计算流体动力学、空化与多相流技术领域。

背景技术

空化是高速水动力学的核心关键科学问题，不可避免发生于水力机械、水下兵器等运行工况下，诱导复杂流体动力。空化问题是水力与海洋工程装备最严酷的服役环境，制约着我国水力与海洋工程装备水动力创新发展，深入对空化流动的认识是进一步探究空化不稳定性机理、预测及抑制空化破坏的重要基础。随着船舶向大型化和高速化发展，作为海洋船舶推进系统的重要组成的螺旋桨及舵的空化及空化破坏问题日益严峻，精确地预测螺旋桨空化流场特性是高速水动力学的重点问题。

实验是空化研究的主要方法，然而受可接触性以及测量手段有限的制约，空化流场内部结构精细测量存在困难。对于螺旋桨等大型水力机械，存在着原型与模型之间的尺寸效应、可重复性等问题，对其规律的解释高度依赖于经验，并且实验室工作无法对材料剥蚀现象进行充分长时间测量。因此采用计算流体动力学(CFD)数值计算方法对实验进行补充具有重要意义。目前，主流的空化流动数值计算多基于商业软件，如Ansys-CFX，Ansys-Fluent，等，采用不可压缩数值计算方法，不可压缩空化流动计算方法可以对非定常空化流动现象，如附着型空穴生长，回射流产生及发展，空泡断裂脱落，以及流体动力等进行预测。然而，进一步精确预测螺旋桨空化流体动力特性，建立空化破坏准则，亟需对空化诱导压力脉动、压力脉冲、激波等现象的精确模拟，这些现象传统的不可压缩计算方法无法进行预测捕捉。理论研究表明，空化流场由于含气率的存在，空化介质中局部声速急剧下降，可降至3-5m/s，空化流动具有高度的压缩性。为深入空化流动机理，精确预测空穴溃灭机制以及其诱导激波压力脉冲，必须综合考虑空化汽液介质可压缩性效应，采用可压缩数值计算方法。由于目前商业软件多基于不可压缩框架，在可压缩空化计算方法上存在不足，OpenFOAM作为大型开源计算流体力学类库，具有良好的可拓展性，便于科研人员进行开发，可针对所解决的问题定制自己的求解器，并且已逐渐应用于空化流动中，因此，基于开源软件OpenFOAM进行可压缩空化流动求解器的开发具有必要性和可行性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于OpenFOAM平台的螺旋桨可压缩空化流动数值预测方法，能够实现对螺旋桨空化流动诱导压力脉动、压力脉冲、激波等现象的精确模拟，为建立螺旋桨空化破坏预测及控制提供依据。

一种基于OpenFOAM平台的螺旋桨可压缩空化流动数值预测方法，该方法的实现包括以下步骤：

步骤一：建立螺旋桨模型及三维计算流域并划分网格；

步骤二：建立由可压缩空化流动控制方程组、热力学模型、可压缩空化模型和可压缩湍流模型组成的可压缩空化流动计算流体动力学模型；

步骤三：进行边界条件和计算设置；

步骤四：进行可压缩空化流场数值计算；

步骤五：获得螺旋桨的非定常可压缩空化流场特性，通过求解可压缩空化流动计算流体动力学模型得到螺旋桨流场速度分布、压力分布、相分布和温度分布。