提高復合材料螺旋槳流固耦合計算精度的方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種提高復合材料螺旋槳流固耦合計算精度的方法。
【背景技術】
[0002] 復合材料螺旋槳的研究工作從上世紀60年代開始，發展至今，相比于傳統金屬螺 旋槳其輕質、高比剛度、高比強度、耐腐蝕等特性正逐漸應用到高性能艦船領域，在不久的 將來將取代傳統的金屬螺旋槳。但是由于復合材料的變形特性，需要同時考慮流體與結構 的影響，大大增加了研究工作的難度。隨著水下探測設備在精度和探測距離方向的不斷發 展，對艦船的隱身性能和航行環境提出了更加苛刻的要求，復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] 復合材料螺旋槳的研究工作分為試驗研究、理論研究和數值計算，試驗研究結果 較為可靠，但是由于復合材料制備工藝復雜、以及試驗條件的限制，試驗研究不適合進行大 量研究工作。在理論研究方面，由于復合材料螺旋槳涉及流體性能與結構性能兩大方向，耦 合方程直接求解困難。隨著計算機技術的提高和數值求解方法的不斷完善，數值計算方式 逐漸應用于復合材料螺旋槳的預報工作。然而復合材料螺旋槳的數值研究工作還不夠完 善，計算精度遠遠不夠，需不斷改進算法提高精度。

【發明內容】

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