一种桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟方法

1.本发明涉及的是一种数值模拟方法，具体地说是船舶螺旋桨流场数值模拟方法。


背景技术：

2.螺旋桨-推进轴系耦合系统是船舶动力装置中重要的组成部分，该系统运行时的安全性与可靠性对船舶能否稳定航行有着重要影响。在船舶航行时，由于海洋来流的不均匀与船体尾流的作用，螺旋桨不可避免地工作在非均匀的来流中并产生周期性的激励，这种激励作用在推进轴系上会引起轴系振动，剧烈的轴系振动会通过轴承传递到船体，严重影响船舶的安静性与舒适性。而弹性轴系的多自由度振动，又会对螺旋桨产生反馈作用，诱导螺旋桨质心做复杂的空间运动，以考虑轴系回旋振动时为例，此时螺旋桨会产生自转与公转的耦合，对螺旋桨流动与激励特性产生影响。因此，桨-轴系统中存在着复杂的流固耦合问题，需要建立一种能够考虑双向流固耦合效应的数值模拟方法对其进行深入的研究。
3.对于螺旋桨水动力与激励力的研究经历了几十年的发展，从最初的对流体流动进行了较强假设的升力线、升力面及低阶面元法(bem)，发展到了现在的能够考虑三维粘性流体流动的计算流体力学(cfd)方法。而对于轴系动力学的研究，有限单元法(fem)是目前最为主流的模拟方法，其广泛的应用于结构力学、转子动力学的分析中，对于推进轴系的回旋、扭转、纵向及耦合振动都能进行准确的模拟。桨-轴系统中的流固耦合问题，目前的研究方法主要分为单向耦合方法与双向耦合方法，单向耦合方法主要用于研究在螺旋桨流体激励下的轴系动力学响应问题，而双向耦合方法则可以用于预测桨-轴耦合系统在运行过程中产生的复杂动力学行为，对激励与响应之间的相互影响进行深入研究。
4.桨-轴系统双向流固耦合的模拟方法，目前主要分为基于fem/bem的方法与基于商业软件内置流固耦合算法的方法。第一种方法能够准确地模拟轴系动力学特性，但由于面元法是基于势流理论的模拟方法，其对流体流动做了无粘无旋的假设，因此并不能准确的预测螺旋桨粘性流动的特性。第二种方法克服了前者的缺点，对流场与结构场都能进行准确的模拟，但由于商业软件中cfd与fem求解器处于不同的架构内，在进行双向耦合分析时需要进行实时的双向数据传递，该过程一般通过中间程序对两个求解器进行调用来实现，由于采用中间程序调用求解器的方式实现数据实时传递会占用较多额外的计算资源，因此采用该方法进行双向耦合分析时求解速度较慢，计算效率较低。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供可以应用于推进轴系与船舶螺旋桨的性能预测与设计优化，也可以应用于除桨-轴系统外的其他流体机械-转子结构的双向流固耦合动力学研究的一种桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟方法。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.本发明一种桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟方法，其特征是：
8.(1)进行螺旋桨流场部分数值建模，根据输入的螺旋桨几何模型确定流场域范围，
进行流场域的空间离散，定义流场中的边界条件，为螺旋桨cfd模拟做好前处理准备；
9.(2)进行轴系动力学部分数值建模，根据输入的轴系几何与材料参数建立轴系动力学数值模型，将轴承支撑等效为刚度与阻尼加载到模型中；
10.(3)在流场求解器中导入步骤(1)、步骤(2)建立的模型，其中轴系动力学部分通过二次开发的程序导入求解器，在进行编译后实现同一求解器内流场与结构场的双向耦合计算；
11.(4)进行桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟，在每一个时间步的流场计算结束后提取螺旋桨激励，将其加载到轴系动力学模型中进行响应计算，再将得到的响应结果通过螺旋桨质心运动的方式反馈给螺旋桨流场，继续下一时间步的流场计算；在求解过程中实时获取螺旋桨流场激励力与轴系振动位移、速度、加速度结果。
12.本发明还可以包括：
13.1、步骤(1)具体为：
14.首先根据输入的螺旋桨几何模型确定流场域范围，分为内外两个流域进行处理，内部流域模拟螺旋桨旋转，外部流域模拟来流以及轴系振动诱导的运动；随后，进行流场域的空间离散，划分流场计算网格，在该过程中根据螺旋桨尺寸选择网格划分的参数，根据螺旋桨运行的工况以及数值模拟选择的湍流模型选择第一层网格的高度；最后，定义流场中的边界条件，完成螺旋桨cfd模拟的前处理工作，输出流场模型供后续步骤使用。
15.2、步骤(3)具体为：
16.a、建立螺旋桨与轴系动力学耦合数值模型：
17.完成建模过程后，将模型中的质量、刚度、阻尼矩阵输出至下一步；
18.b、在流场模拟中提取螺旋桨流体激励力：
19.在每一个时间步的流场模拟结束后提取桨叶上每一个单元面上所受的压力，按照笛卡尔坐标下的6个自由度进行积分得到该时间步下的流体激励力与力矩，将得到的激励传递给动力学响应求解模块，等待下一个时间步的流场求解完成后重复上述的过程；
20.c、基于newmark-β法进行轴系强迫振动响应求解：
21.结合得到的轴系动力学模型与螺旋桨流体激励，同时计算轴系质量不平衡激励，将系统的质量、刚度、阻尼矩阵以及激励数据输入到轴系强迫振动响应求解模块中，经过计算得到该时间步下的轴系动力学响应；
22.d、利用螺旋桨质心运动对流场进行反馈作用：
23.在得到轴系动力学响应后，一方面将响应结果与激励结果一同输出到文档，另一方面实现动力学响应对螺旋桨流场的反馈作用，并开始下一时间步的流场模拟；提取动力学响应结果中螺旋桨位置处的振动速度结果，将其赋予螺旋桨流场模型中所对应的流体域，在下一个时间步的流场模拟中，螺旋桨在转动的同时伴随有以上一时间步求得的振速为速度的平动，实现轴系动力学对螺旋桨流场的反馈作用。
24.本发明的优势在于：采用本发明方法进行桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟时，一方面考虑了螺旋桨粘性流动与弹性轴系多自由度耦合作用，同时也考虑了非均匀来流、螺旋桨流场激励与轴系质量不平衡激励等因素的影响，能够准确地模拟耦合系统在多种复杂激励下的动力学特性；另一方面，由于本发明采用二次开发的方式将轴系动力学模型编译到了流场求解器当中，因此双向耦合模拟没有附加的计算资源需求，双向耦合的求
解速度与常规流场求解速度十分接近，本发明提出的方法拥有比商业软件内置流固耦合算法更高的计算效率。此外，采用本发明方法进行模拟时，研究人员还可以实时获取螺旋桨流场激励力与轴系振动位移、速度、加速度等结果，这也十分有利于对耦合系统动力学特性的研究。
25.通过本发明提出的方法进行桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟分析，可以结合螺旋桨流场与轴系动力学数值模型，通过二次开发的程序将轴系动力学模型编译到了流场求解器当中，在同一求解器中进行双向流固耦合模拟，进而在节约了大量的计算资源的前提下，得到丰富的流体激励与动力学响应结果，供研究人员进行分析。在轴系动力学建模过程中，本发明可以通过输入参数直接进行建模，无需商业软件中的gui操作，因此对动力学模型的建立与修改过程十分便捷。在进行双向耦合计算的设置过程中，本发明在常规cfd求解设置的基础上，仅需增加编译二次开发程序这一个步骤，即可在流场求解器内完成双向耦合的设置，相比于传统方法也更为便捷，提高了研究人员的工作效率。
附图说明
26.图1为本发明桨-轴耦合系统示意图；
27.图2为本发明的流程图；
28.图3为本发明实施例中螺旋桨激励力结果；
29.图4为本发明实施例中轴系动力学响应结果。
具体实施方式
30.下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
31.结合图1-4，本发明实施例具体步骤如下：
32.步骤一、进行螺旋桨流场部分数值建模，根据输入的螺旋桨几何模型确定流场域范围，进行流场域的空间离散，定义流场中的边界条件，为螺旋桨cfd模拟做好前处理准备。
33.这一部分的实施方式与常规螺旋桨流场模拟的前处理方式并无较大区别，首先根据输入的螺旋桨几何模型确定流场域范围，其中需要分为内外两个流域进行处理，内部流域用于模拟螺旋桨旋转，外部流域用于模拟来流以及轴系振动诱导的运动。随后，进行流场域的空间离散，划分流场计算网格，在该过程中需要根据螺旋桨尺寸合理选择网格划分的参数，根据螺旋桨运行的工况以及数值模拟选择的湍流模型合理选择第一层网格的高度。最后，还需要定义流场中的边界条件，完成螺旋桨cfd模拟的前处理工作，输出流场模型供后续步骤使用。
34.步骤二、进行轴系动力学部分数值建模，根据输入的轴系几何与材料等参数建立轴系动力学数值模型，将轴承等支撑等效为刚度与阻尼加载到模型中。
35.结合图1展开桨-轴耦合系统的介绍，耦合系统主要由螺旋桨、转轴与前后艉轴承、中间轴承、推力轴承等支撑结构所组成，本发明中进行的轴系动力学建模基于有限元方法，采用刚性圆盘单元模拟螺旋桨，采用弹性梁单元模型轴段，采用附加刚度、阻尼的方式模拟轴承支撑。在本发明中进行的轴系动力学建模，考虑了螺旋桨的附水效应，在质量与阻尼矩阵中对螺旋桨的附水质量与阻尼进行了修正。本发明通过编写的程序中动力学建模部分，只需要将轴系的几何与材料参数导入程序，即可完成动力学的数值建模，在需要对模型进
行修改时也只需再次导入新的参数即可完成，本发明方法中的轴系动力学数值建模过程十分的便捷。
36.步骤三、在流场求解器中导入前两个步骤建立的模型，其中轴系动力学部分通过二次开发的程序导入求解器，在进行编译后便实现了同一求解器内流场与结构场的双向耦合计算。
37.通过二次开发程序实现同一求解器内流场与结构场的双向耦合计算是本发明的核心内容，结合图2说明双向耦合的计算方法与二次开发的编程实现。
38.(1)建立螺旋桨与轴系动力学耦合数值模型。
39.该部分内容的实施方式在上文中已经做了详细的介绍，其中轴系动力学的建模是依靠着二次开发程序进行的，在程序中完成第一步的建模过程后，将模型中的质量、刚度、阻尼矩阵输出至下一步。
40.(2)在流场模拟中提取螺旋桨流体激励力。
41.在每一个时间步的流场模拟结束后通过二次开发程序提取桨叶上每一个单元面上所受的压力，按照笛卡尔坐标下的6个自由度(3个平动自由度与3个转动自由度)进行积分得到该时间步下的流体激励力与力矩，将得到的激励传递给动力学响应求解模块，在后续步骤中会继续进行动力学响应的求解以及对螺旋桨流场的反馈，在此步骤中程序将等待下一个时间步的流场求解完成后重复上述的过程。
42.(3)基于newmark-β法进行轴系强迫振动响应求解。
43.结合上文(1)与(2)中得到的轴系动力学模型与螺旋桨流体激励，同时计算轴系质量不平衡激励，将系统的质量、刚度、阻尼矩阵以及激励等数据输入到轴系强迫振动响应求解模块中，经过计算得到该时间步下的轴系动力学响应。采用newmark-β方法的原因是其具有良好的收敛性，在收敛系数取值合理的情况下数值求解将强制收敛，该方法广泛的应用于多种动力学系统的响应特性求解中。这一步骤得到的动力学响应，将用于后续步骤中对于螺旋桨流场的反馈以及结果输出。
44.(4)利用螺旋桨质心运动对流场进行反馈作用。
45.在(3)中得到轴系动力学响应后，一方面将响应结果与激励结果一同输出到文档，另一方面要实现动力学响应对螺旋桨流场的反馈作用，并开始下一时间步的流场模拟。提取动力学响应结果中螺旋桨位置处的振动速度结果，将其赋予螺旋桨流场模型中所对应的流体域，这样在下一个时间步的流场模拟中，螺旋桨在转动的同时还会伴随有以上一时间步求得的振速为速度的平动，这便实现了轴系动力学对螺旋桨流场的反馈作用。
46.以上所描述的过程都是在一个时间步的计算中发生的，在此基础上本发明的二次开发程序将进行循环，直至达到目标的模拟时长结束。
47.步骤四、进行桨-轴耦合系统双向流固耦合数值模拟，本发明提出的方法在每一个时间步的流场计算结束后提取螺旋桨激励，将其加载到轴系动力学模型中进行响应计算，再将得到的响应结果通过螺旋桨质心运动的方式反馈给螺旋桨流场，继续下一时间步的流场计算；在求解过程中可以实时获取螺旋桨流场激励力与轴系振动位移、速度、加速度等结果。
48.结合图3、图4中的螺旋桨流体激励与轴系动力学响应结果，可以看到本发明所提出的方法实现了上文中所描述的功能，利用本方法可以在有限的计算资源下获得收敛、准
确的模拟结果，进行桨-轴耦合系统双向流固耦合动力学的研究。本发明提出的数值方法可以应用于推进轴系与船舶螺旋桨的性能预测与设计优化，也可以应用于除桨-轴系统外的其他流体机械-转子结构的双向流固耦合动力学的研究。