1、虛擬盤模型

虛擬盤體模型基于將螺旋槳、渦輪機、轉子和風扇等表示為執行器盤體的原則。當提供有關轉子/螺旋槳行為的信息且需要它對周圍的流場產生影響時，執行器盤體就有用。流場中執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。根據應用領域對執行器操作進行建模。對于虛擬盤體模型，當前可實現四種方法：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。螺旋槳引起的流態取決于船體周圍的流態。同樣，船體流受螺旋槳的影響。體積力螺旋槳法可用作DFBI（動態流體相互作用）模擬的一部分。使用此方法具有明顯的優勢，可減小網格尺寸，從而降低執行模擬（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。

2、問題描述

船舶工程的挑戰之一是，預測在旋轉螺旋槳產生推力的作用下，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：

     

3、軟件設置

 

     （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，來設置水面初始波的數據。物理模型的選擇如下：

（2）定義動態流體固體相互作用(DFBI)；動態流體固體相互作用 (DFBI) 模型根據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域：在Regions> Virtual Towing Tank > Physics Values > Motion Specification節點，選擇DFBIRotation and Translation，一個新的DFBI 節點將出現在模擬樹中。

c、右鍵單擊DFBI > 6-DOFBodies，選擇New Body > 3D >Continuum Body，將其命名為ship，在ship的屬性設置船體質量，釋放時間，緩沖時間等；展開6-DOF Bodies >Ship > Initial Values node，設置質心，轉動慣量，激活使用質心；

（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；

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

?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節點，選擇 N新建虛擬盤；

b、將虛擬盤的類型設置為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據文件（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聯，此處確定為 Ship-CSys。此關聯建立了虛擬盤產生的推力與船 DFBI 運動的聯系。該船坐標系根據 DFBI 模型計算的流體力隨船移動。

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

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

b、在ExternalForces and Moments > VirtualDiskForce 1 節點，設定Virtual Disk 為VirtualDisk.，這樣虛擬盤生成的力現在與船體相關聯起來了。

       （5）定義歐拉相；在連續體continuum中，右鍵單擊Models > EulerianMultiphase > Eulerian Phases 節點，創建新相，把新相命名為H2O，在H2O節點選擇液體和恒密度模型。同樣的方式設置空氣相，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，在出現的Flat Vof Wave 1節點設置流和風的速度；設置完Flat Vof Wave 1的屬性如下

      （7）設置初始條件；設置壓力、速度和體積分數的初始條件。

    

（8）阻尼波反射；在流動阻力模擬時發生波反射。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節點，激活Damping，在Regions> Virtual Towing Tank > Physics Values > VOF Wave Damping Length節點，把波阻尼長度設置為15m。

（9）設置邊界條件；流體域的邊界條件設置類型如下：

 

在Regions > Domain > Boundaries > Aft節點，屬性設置如下：

        同時選擇Forward, Port和Starboard，屬性設置如下：

      出口的邊界條件設置如下：

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

（11）運行模擬；計算結果如下：

                                                 無靜壓分量的壓力分布

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