[发明专利]一种实尺度的舰船声纳导流罩空化数值预报方法

说明书

本发明公开了一种实尺度舰船声纳导流罩空化数值预报方法，可为声纳导流罩型线优化提供指导依据。本方法具体包括步骤为：1、确定初始计算航速，前处理建立计算域并划分网格；2、对全舰进行水动力性能CFD数值计算；3、在水动力性能计算结果的基础上，开启多相流模型，加入Singhal全空化模型，进行空化数值计算；4、对初始航速下的空化计算结果进行后处理，分析声纳导流罩的空化形态、面积和空化程度等，迭代调整计算航速重复步骤2‑3逐渐逼近空化起始航速。本发明相比现有的模型试验预报方法，规避了尺度效应对预报结果的影响，且可操作性更强，人力物力投入小，对提高舰船总体设计质量有重要帮助。

技术领域

本发明涉及一种基于CFD技术的实尺度舰船声纳导流罩空化数值预报方法，属于船舶工程技术领域。

背景技术

水面舰船声纳导流罩是舰壳声纳的保护罩，为保证声纳良好的工作环境，一般安装在远离全船机械噪声源的船体首部。其线型除具有良好的阻力性能之外，还需重点保证声纳良好的工作环境。随着舰船航速增大，首部声纳导流罩由于其形状特性易发生空化，空化的产生使水的阻抗与声纳要求不匹配，使声波产生折射与反射，这不仅降低了基阵的信号，也产生了与直达波相异的信号；另外，空化的产生与破灭，将在导流罩附近产生强烈的振动和空化噪音，空化起始的早晚在一定程度上决定了全船流噪声的大小。因此，对水面舰船声纳导流罩空化性能的可靠预报显得尤为重要。

目前，声纳导流罩的空化性能虽可通过模型试验反映，但由于尺度效应导致与实船测试结果存在较大偏差，其试验研究尚未完善，预报精度有待进一步提高；且空化试验研究具有可操作性低、资金消耗巨大等特缺点。随着高性能计算机和CFD(ComputationalFluid Dynamic，计算流体力学)模拟技术的发展，越来越多的研究人员通过CFD开展基于快速性能优化的声纳导流罩线型研究，但因尚未形成可靠的实尺度声纳导流罩空化性能预报方法，鲜有研究以优化空化性能为目标开展声纳导流罩线型设计。为此，有必要开展实尺度水面舰船声纳导流罩空化性能的CFD数值计算研究，形成数值预报方法，为声纳导流罩型线设计提供指导依据。

发明内容

本发明目的是针对现有模型试验方法预报的不足，基于CFD技术，提出一种实尺度舰船声纳导流罩空化数值预报方法。该方法可有效规避模型试验预报空化性能的尺度效应问题，提高预报精度。其步骤如下：

(1)前处理

①确定空化计算的初始航速；

②划分带声纳导流罩的全船计算域网格，检查网格质量，输出网格文件；

③将网格文件导入CFD软件，检查网格质量；

(2)水动力性能计算

④定义求解器，选择湍流模型，设置操作环境及对应参数，定义边界条件及对应参数，定义求解方程、离散方法及格式，设置收敛因子；

⑤进行初始化设置及收敛设置，开始水动力性能计算；监测残差及阻力，直至水动力计算收敛、稳定；

(3)空化性能计算

⑥待水动力计算稳定后，在此基础上，设置多相流模型及对应参数；

⑦设置全空化模型及对应参数，其他模型及参数保持水动力性能计算参数不变，开始空化性能计算，直至收敛；

(4)后处理

⑧显示并记录声纳导流罩空化形态、面积和空化程度等结果；

⑨针对不同航速工况重复步骤④～⑨，判定声纳导流罩空化起始航速。

本发明方法的原理是利用RANS方程求解全船水动力性能，在此基础上，引入气液多相流与空化模型，开展空化性能数值仿真分析。具体实现方式如下：