平稳航行：使用CONVERGE分析船用螺旋桨
到目前为止，航运业是全球贸易的最大推动者，货船承担了全球90%的货物运输。为了满足日益严格的排放法规要求，除了高效清洁的发动机研发外，设计越来越高效的船舶推进系统势在必行。船舶性能的核心因素之一就是螺旋桨。 CONVERGE作为一款优秀CFD分析工具在船用发动机分析领域已经为人熟知，事实上，它在分析和优化螺旋桨设计上也具备很多优势。通过完全自主的网格划分，即便是最复杂的螺旋桨几何形状，CONVERGE也可以快速生成高质量的计算网格。同时，CONVERGE可以在每个时间步内对局部空间的网格实现重构，达到无缝适应螺旋桨运动的网格效果。此外，CONVERGE包括了稳健的多相流、流固交互（FSI）和空化模型，这些都是三维评估和分析螺旋桨性能所必需的工具。如何使用CONVERGE应用于螺旋桨分析呢？我们首先在波茨坦螺旋桨测试案例（Potsdam Propeller Test Case, PPTC）上验证CONVERGE稳态和瞬态建模能力，其中螺旋桨是完全浸没的。然后，我们会将CONVERGE应用于物理上更复杂的半浸式螺旋桨模拟。 图1 SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304 PPTC: 稳态分析在第一个验证案例中我们对SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304进行稳态模拟（图1）并将结果与公布的实验数据进行比较[1] 。实验测试结果来自于开放水域，在拖曳水池中螺旋桨恒定转速为15转每秒。通过改变入流速度来测试不同的推进系数（J），并测量每次运行时叶片的推力和扭矩。根据这些测量结果，确定开放水域特性，如推力系数（KT）、扭矩系数（KQ）和开放水域效率（η0）。在CONVERGE模型中，我们采用了k-ω SST湍流模型，基于速度的自适应网格加密（AMR）以及对运动几何的多重参考坐标系（MRF）方法。图2显示了实验和仿真的推力系数、扭矩系数及开放水域效率。在整个推进系数范围内，CONVERGE结果和实验数据吻合良好。 图2 实验和仿真的推力系数、扭矩系数及开放水域效率PPTC：瞬态分析稳态PPTC验证之后，我们进行瞬态模拟将仿真预测的速度场和公开的实验测试值比较[2]。在空化试验中进行激光多普勒测速（LDV），对多个位置的速度进行测量。CONVERGE自动化网格生成有利于解析旋转的螺旋桨几何结构。和稳态求解一样，我们使用k-ω SST湍流模型和基于速度的AMR。在下面的视频中（图3），等值面代表涡量，垂直于螺旋桨轴的平面上显示网格。从视频中可以看到CONVERGE的自动化网格是如何适应螺旋桨运动以及AMR是如何调整网格解析度来捕捉流场的。图4显示了x/D=0.2平面上两个不同径向位置的实验和数值的速度结果。CONVERGE精确捕捉了轴向、切向和径向速度趋势。 图4 PPTC瞬态案例中轴向速度切向速度和径向速度的实验和仿真值半浸式螺旋桨在验证了CONVERGE可以准确预测水下螺旋桨关键性能因素后，我们接着讨论一个更复杂的场景：半浸式螺旋桨。研究对象依然是SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304几何。仿真模型利用CONVERGE的VOF方法，单独组分求解来模拟多相流。此外，还会用到表面压缩技术来追踪空气和水的界面。和之前的案例一样，CONVERGE自动化网格生成技术让案例设置更简单，AMR有助于重要物理现象的准确捕捉。在下面的视频中（图5）可以看到CONVERGE捕捉了复杂的尾迹结构并保持清晰的空气-水界面。结论上述研究验证了CONVERGE的螺旋桨仿真建模能力，并展示了CONVERGE在复杂情况下的实用性。结合CONVERGE的流体-结构交互作用（FSI）和空化模型，用户可以对船舶推进和螺旋桨磨损进行更全面的研究。CONVERGE是评估螺旋桨性能的强大工具，自动化网格生成技术使螺旋桨设计测试变得更加容易。—参考文献—[1] Barkmann, U.H., “Potsdam Propeller Test Case (PPTC): Open Water Tests With the Model Propeller VP1304,” Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH Report 3752, 2011.[2] Mach, K.-P., “Potsdam Propeller Test Case (PPTC) – LDV Velocity Measurements With the Model Propeller VP1304,” Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH Report 3754, 2011. 来源：艾迪捷
