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虛擬盤模型

虛擬盤體模型基于將螺旋槳、渦輪機、轉(zhuǎn)子和風扇等表示為執(zhí)行器盤體的原則。當提供有關(guān)轉(zhuǎn)子/螺旋槳行為的信息且需要它對周圍的流場產(chǎn)生影響時，執(zhí)行器盤體就有用。流場中執(zhí)行器盤體的操作以虛擬盤體上分布的源項形式進入動量方程。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?zhí)行器操作進行建模。對于虛擬盤體模型，當前可實現(xiàn)四種方法：體積力螺旋槳法，葉片單元法，1D動量法，用戶自定義法。作為虛擬盤體模型的一部分，體積力螺旋槳法對船舶螺旋槳的效應(yīng)進行模擬。

體積力螺旋槳法主要對船體和螺旋槳的流場相互作用進行仿真。螺旋槳引起的流態(tài)取決于船體周圍的流態(tài)。同樣，船體流受螺旋槳的影響。體積力螺旋槳法可用作DFBI（動態(tài)流體相互作用）模擬的一部分。使用此方法具有明顯的優(yōu)勢，可減小網(wǎng)格尺寸，從而降低執(zhí)行模擬（包括螺旋槳幾何）的計算成本。如果不需要螺旋槳周圍的詳細流場、但需要正確推進指定，此方法十分有用。

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問題描述

船舶工程的挑戰(zhàn)之一是，預(yù)測在旋轉(zhuǎn)螺旋槳產(chǎn)生推力的作用下，船體穿水移動的速度。本案例演示模擬船舶在螺旋槳產(chǎn)生推力的作用下穿過靜水的運動。螺旋槳布置在船尾中部，轉(zhuǎn)速為2300 rpm。由于渦流和壓力梯度的原因，這些類型模擬中的螺旋槳效力會顯著影響船身性能，因此非常重要。模型如下：

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STAR-CCM+設(shè)置

（1）選擇物理模型；使用 K-Epsilon 湍流模型和分離流求解器來求解瞬態(tài)雷諾平均納維－斯托克斯方程。在激活流體域體積(VOF) 模型后，選擇VOF波，來設(shè)置水面初始波的數(shù)據(jù)。物理模型的選擇如下：

（2）定義動態(tài)流體固體相互作用(DFBI)；動態(tài)流體固體相互作用 (DFBI) 模型根據(jù)作用力來模擬船運動。對于此模擬，允許船以兩個自由度移動，以便考慮升沉和縱傾。

a、右鍵單擊Tools> Motions選項，選擇新建DFBIRotation and Translation；

b、將此運動分配給虛擬拖曳試驗池區(qū)域：在Regions> Virtual Towing Tank > Physics Values > Motion Specification節(jié)點，選擇DFBIRotation and Translation，一個新的DFBI 節(jié)點將出現(xiàn)在模擬樹中。

c、右鍵單擊DFBI > 6-DOFBodies，選擇New Body > 3D >Continuum Body，將其命名為ship，在ship的屬性設(shè)置船體質(zhì)量，釋放時間，緩沖時間等；展開6-DOF Bodies >Ship > Initial Values node，設(shè)置質(zhì)心，轉(zhuǎn)動慣量，激活使用質(zhì)心；

（3）使用虛擬盤模型進行螺旋槳建模；

使用螺旋槳的虛擬盤需要您定義以下項目：

?盤的尺寸和位置；

?盤軸線方向。此方向定義推力的方向；

?螺旋槳性能數(shù)據(jù)，此處的推力系數(shù) K_T 和扭矩系數(shù) K_Q 是進程比 J 的函數(shù)；

?獲得虛擬盤流入表面平均速度和密度的速度平面；

a、右鍵單擊Continua > Physics 1 >Models > Virtual Disk > Virtual Disks node a節(jié)點，選擇 N新建虛擬盤；

b、將虛擬盤的類型設(shè)置為Body Force Propeller Method；

c、在您可以指定螺旋槳曲線之前，必須將螺旋槳表格數(shù)據(jù)文件（此處是 .csv 格式）導入STAR-CCM+；右鍵單擊Tools > Tables 選擇新建 Table > File Table。流入平面偏移是虛擬盤直徑的 10%。虛擬盤的設(shè)置完屬性如下：

注意必須將定義推力方向的坐標系屬性與船體的局部坐標系相關(guān)聯(lián)，此處確定為 Ship-CSys。此關(guān)聯(lián)建立了虛擬盤產(chǎn)生的推力與船 DFBI 運動的聯(lián)系。該船坐標系根據(jù) DFBI 模型計算的流體力隨船移動。

（4）應(yīng)用船推力；為了將虛擬盤生成的推力應(yīng)用于船，需要創(chuàng)建 6 自由度船體外力。要為船應(yīng)用虛擬盤推力：

a、右鍵單擊DFBI > 6-DOF Bodies >Ship > External Forces and Moments節(jié)點選擇新建Virtual Disk Force；

b、在ExternalForces and Moments > VirtualDiskForce 1 節(jié)點，設(shè)定Virtual Disk 為VirtualDisk.，這樣虛擬盤生成的力現(xiàn)在與船體相關(guān)聯(lián)起來了。

（5）定義歐拉相；在連續(xù)體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節(jié)點，創(chuàng)建新相，把新相命名為H2O，在H2O節(jié)點選擇液體和恒密度模型。同樣的方式設(shè)置空氣相，選擇氣體和恒密度模型，定義完的歐拉相如下：

（6）設(shè)置VOF波；在模擬期間，自由表面水位隨時間的變化而變化。 STAR-CCM+ 提供可讓您指定波初始條件和邊界條件的 VOF波模型。此處，在靜水中拖曳船。右鍵單擊Continua > Physics 1 > Models > VOF Waves> Waves，選擇New > Flat，在出現(xiàn)的Flat Vof Wave 1節(jié)點設(shè)置流和風的速度；設(shè)置完Flat Vof Wave 1的屬性如下

（7）設(shè)置初始條件；設(shè)置壓力、速度和體積分數(shù)的初始條件。

（8）阻尼波反射；在流動阻力模擬時發(fā)生波反射。波反射有兩個來源：一是來自邊界的波反射，二是由于突兀的網(wǎng)格過渡造成的波反射，為了避免這些波反射與真正的波場相互作用，從而導致結(jié)果無效。STAR-CCM+提供了 VOF 波阻尼功能。要在邊界處激活VOF 波阻尼，在Regions > VirtualTowing Tank > Physics Conditions > VOF Wave Zone Option節(jié)點，激活Damping，在Regions> Virtual Towing Tank > Physics Values > VOF Wave Damping Length節(jié)點，把波阻尼長度設(shè)置為15m。

（9）設(shè)置邊界條件；流體域的邊界條件設(shè)置類型如下：

在Regions > Domain > Boundaries > Aft節(jié)點，屬性設(shè)置如下：

同時選擇Forward, Port和Starboard，屬性設(shè)置如下：

出口的邊界條件設(shè)置如下：

（10）由于本案例是瞬態(tài)模擬，因此需要設(shè)置時間步、各時間步內(nèi)允許的最大內(nèi)部迭代次數(shù)以及獲得求解所用的總體物理時間。選擇Solvers> Implicit Unsteady節(jié)點，然后將時間步設(shè)為0.042s。6自由度求解器最大迭代次數(shù)設(shè)置為7，最大內(nèi)部迭代設(shè)置為10，將最大物理時間設(shè)置為80s；

（11）運行模擬；計算結(jié)果如下：

無靜壓分量的壓力分布

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文章來源有限猿仿真