1

從實際操作上來講，螺旋槳的直接數(shù)值模擬方法可以分為三種：

• Moving Reference Frames (MRF)

• Rigid Body Motion (RBM)

• Overset Mesh (OM)

MRF為運動參考系法，顧名思義，該方法通過引入相對運動參考系來處理槳的旋轉(zhuǎn)問題，將復(fù)雜的問題進行簡化，是一種穩(wěn)定性好、易于收斂的穩(wěn)態(tài)方法。

RBM為剛體運動法，也稱之為滑移網(wǎng)格法，該方法通過網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)來模擬槳的真實運動，在旋轉(zhuǎn)域和外部靜止域之間通過交界面進行流場信息傳遞，是一種瞬態(tài)方法。

OM為重疊網(wǎng)格法，也稱之為嵌套網(wǎng)格法，最近幾年應(yīng)用的越來越廣泛和成熟。與RBM法類似，該方法也是一種瞬態(tài)方法，只是處理交界面的方式有所不同。

對比以上三種方法，各有其優(yōu)缺點：

MRF方法是一種穩(wěn)態(tài)方法，因此具有設(shè)置簡單、計算快速、易于收斂等優(yōu)點，在計算螺旋槳的敞水曲線時一般采用該方法，計算精度滿足要求，資源耗費較少，性價比高。

RBM方法是一種瞬態(tài)方法，相對于MRF，不僅能夠求得敞水曲線，還能夠得到流場的更多信息，比如壓力脈動、流場演變等，但是計算時間較長，對硬件的要求也更高。

OM方法與RBM方法類似，得益于重疊網(wǎng)格在處理諸如極限、交叉、耦合等運動方面的優(yōu)勢，該方法在處理船-槳-舵耦合運動及干擾、自航模、操縱性模擬等方面應(yīng)用更為廣泛。

2

從網(wǎng)格生成的角度來看，MRF方法和RBM方法可以共用一套網(wǎng)格，二者處理計算域、交界面的方式完全相同，因此本次推送主要介紹這兩種方法，OM方法因為網(wǎng)格需要單獨生成，因此放在下次推送中進行介紹。

下面以KP505槳模為案例，對螺旋槳模擬的主要步驟進行介紹。槳的主尺度和模型如下：

首先進行計算域生成，這里要準備兩個區(qū)域：

• 包含槳的旋轉(zhuǎn)域

• 外部靜止域

計算域及邊界條件類型如下：

對兩個區(qū)域分別進行網(wǎng)格劃分，本次模擬中，旋轉(zhuǎn)域部分采用多面體網(wǎng)格類型，外部靜止域采用trimmer網(wǎng)格。

生成網(wǎng)格示意圖如下：

由衷的夸一句，STAR-CCM+生成的多面體網(wǎng)格真是好看，多快好省出場自帶BGM。

這里介紹兩個心得：

• 槳葉的特征線

• 交界面兩側(cè)各生成一層棱柱層網(wǎng)格

為了對槳葉的導(dǎo)邊和隨邊進行更好地捕捉，建議在幾何處理階段，生成導(dǎo)邊和隨邊的特征線，以便在網(wǎng)格劃分時，采用線控制加密的方式處理槳葉表面網(wǎng)格。特征線如下圖所示：

第二，為了提高交界面處插值的精度，減小數(shù)值傳遞誤差，因此建議在交界面兩側(cè)各生成一層棱柱層網(wǎng)格，其尺寸設(shè)置一致。

如下圖紅圈中所示：

之后可以分別進行MRF方法和RBM方法的設(shè)置，在STAR-CCM+軟件的官方文檔中都有相應(yīng)的案例，給出了詳細的操作步驟，這里不再贅述。

建議大家親自動手，對比一下兩種方法，實踐出真知。

下面給出此次計算的結(jié)果，采用的方法是RBM，敞水曲線如下圖：

可以看出計算值與試驗值吻合很好，在較大的進速系數(shù)時，計算結(jié)果誤差稍微增大，但都在5%以內(nèi)。

下圖給出了渦的示意圖，葉梢和槳轂的渦流捕捉的也不錯，相信加密網(wǎng)格和更改高級湍流模型（DES、LES）效果會更好。