在第一個(gè)驗(yàn)證案例中我們對SVA Potsdam可控螺距螺旋槳VP1304進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬（圖1）并將結(jié)果與公布的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較[1] 。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果來自于開放水域，在拖曳水池中螺旋槳恒定轉(zhuǎn)速為15轉(zhuǎn)每秒。通過改變?nèi)肓魉俣葋頊y試不同的推進(jìn)系數(shù)（J），并測量每次運(yùn)行時(shí)葉片的推力和扭矩。根據(jù)這些測量結(jié)果，確定開放水域特性，如推力系數(shù)（KT）、扭矩系數(shù)（KQ）和開放水域效率（η0）。在CONVERGE模型中，我們采用了k-ω SST湍流模型，基于速度的自適應(yīng)網(wǎng)格加密（AMR）以及對運(yùn)動(dòng)幾何的多重參考坐標(biāo)系（MRF）方法。

圖2顯示了實(shí)驗(yàn)和仿真的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)及開放水域效率。在整個(gè)推進(jìn)系數(shù)范圍內(nèi)，CONVERGE結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

圖2 實(shí)驗(yàn)和仿真的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)

及開放水域效率

穩(wěn)態(tài)PPTC驗(yàn)證之后，我們進(jìn)行瞬態(tài)模擬將仿真預(yù)測的速度場和公開的實(shí)驗(yàn)測試值比較[2]。在空化試驗(yàn)中進(jìn)行激光多普勒測速（LDV），對多個(gè)位置的速度進(jìn)行測量。CONVERGE自動(dòng)化網(wǎng)格生成有利于解析旋轉(zhuǎn)的螺旋槳幾何結(jié)構(gòu)。和穩(wěn)態(tài)求解一樣，我們使用k-ω SST湍流模型和基于速度的AMR。在下面的視頻中（圖3），等值面代表渦量，垂直于螺旋槳軸的平面上顯示網(wǎng)格。從視頻中可以看到CONVERGE的自動(dòng)化網(wǎng)格是如何適應(yīng)螺旋槳運(yùn)動(dòng)以及AMR是如何調(diào)整網(wǎng)格解析度來捕捉流場的。

圖3 PPTC CONVERGE瞬態(tài)結(jié)果

等值面為渦量，垂直于軸的平面顯示網(wǎng)格

圖4顯示了x/D=0.2平面上兩個(gè)不同徑向位置的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值的速度結(jié)果。CONVERGE精確捕捉了軸向、切向和徑向速度趨勢。

圖4 PPTC瞬態(tài)案例中軸向速度

切向速度和徑向速度的實(shí)驗(yàn)和仿真值

在驗(yàn)證了CONVERGE可以準(zhǔn)確預(yù)測水下螺旋槳關(guān)鍵性能因素后，我們接著討論一個(gè)更復(fù)雜的場景：半浸式螺旋槳。研究對象依然是SVA Potsdam可控螺距螺旋槳VP1304幾何。仿真模型利用CONVERGE的VOF方法，單獨(dú)組分求解來模擬多相流。此外，還會(huì)用到表面壓縮技術(shù)來追蹤空氣和水的界面。和之前的案例一樣，CONVERGE自動(dòng)化網(wǎng)格生成技術(shù)讓案例設(shè)置更簡單，AMR有助于重要物理現(xiàn)象的準(zhǔn)確捕捉。在下面的視頻中（圖5）可以看到CONVERGE捕捉了復(fù)雜的尾跡結(jié)構(gòu)并保持清晰的空氣-水界面。

圖5 半浸式螺旋槳CONVERGE仿真結(jié)果

等值面代表氣液比為0.5

中間截面顯示網(wǎng)格，顏色代表速度

上述研究驗(yàn)證了CONVERGE的螺旋槳仿真建模能力，并展示了CONVERGE在復(fù)雜情況下的實(shí)用性。結(jié)合CONVERGE的流體-結(jié)構(gòu)交互作用（FSI）和空化模型，用戶可以對船舶推進(jìn)和螺旋槳磨損進(jìn)行更全面的研究。CONVERGE是評估螺旋槳性能的強(qiáng)大工具，自動(dòng)化網(wǎng)格生成技術(shù)使螺旋槳設(shè)計(jì)測試變得更加容易。