文摘
推进器crashback是一个偏离设计的操作条件,推进物旋转相反的方向产生负推力。Crashback特点是自由流的交互与推进器所产生的反向流旋转。这将导致一个高度不稳定的涡环导致流动分离和不稳定力量和时间。大涡模拟(LES)执行船用推进器在crashback各种配置和推进率和对实验进行验证。莱斯的预测能力作为推进器工具crashback演示了在一个开放的推进器,打开推进器与潜艇船体,导管与没有定子叶片推进器。莱斯是在良好的协议与实验值和均方根的水平,在推进器和光谱不稳定的负载。
1。介绍
超级计算机的出现使得常规使用的计算流体动力学发展的工程设备。存在各种各样的方法,流体流动的数值模拟,每个都有其固有的近似和模型。Reynolds-Averaged n - s(跑)是最常用的工程应用的工具。跑方程湍流模型是基于时间平均或统计平均值,并且他们模型的雷诺平均湍流波动(雷诺应力)。直接数值模拟(DNS),所有运动的尺度是准确的解决时间和空间,也没有模型。然而,计算成本与DNS限制了它的使用研究湍流流动在简单的几何图形1]。大涡模拟(LES)是一种不稳定、三维模拟方法之间的中间跑和DNS。有越来越多的兴趣LES应用到复杂的湍流流动,因为更多的可靠性运行在大规模分离流在DNS和放松的计算需求。
跑通常使用逆风偏见方案提供数值耗散和健壮的解决方案过程。逆风计划以来妥协精度数值耗散经常会打败次网格模型的影响。另一方面,标准nondissipative中心差分方案数值不稳定与混叠误差有关。Mahesh et al。2)开发了一种nondissipative但健壮的有限体积法莱斯通过满足离散动能守恒。这个数值方法提供的能力执行LES的复杂的湍流流动。莱斯在船用推进器执行crashback的操作模式。
“四象限”性能测试评估螺旋桨性能的四个操作象限船速度()推进器转速()平面,如图1(一)。设计操作条件是(,),而非设计工况条件crashback (,),支持(,)和crashahead (,)。Crashback操作条件的船舶前进方向的移动而推进器在相反方向旋转减速向前移动的船。
(一)
(b)
绕流的推进器crashback特点是大型不规则和分离。低频率、高振幅不稳定产生的离轴力和时刻被传输到船,机动有效地抑制能力。crashback条件由交互的自由流流强烈反向流反向旋转推进器如图1 (b)。这种交互形式高度在推进器非定常涡环。Crashback显示不稳定的大规模分离流在推进器的叶片。莱斯是crashback因此合适的模拟方法。
传统上,crashback实验研究。了一系列螺旋桨四象限评价由检验员和书店6使用开放水(噢)实验。推力和转矩系数测量在一个广泛的比率。江et al。7]研究了非定常涡环的结构使用粒子图像测速仪(PIV)测量螺旋桨在水中P4381隧道(WT)。Jessup et al。4]提出更详细的测量相同的绕流螺旋桨使用PIV和激光多普勒测速仪(LDV)。桥梁等的实验(5)记录的影响船体在一个开放的推进器。管的影响实验研究了杰塞普等。由。(8)和唐纳利等。(9]。
模拟绕流打开推进器的使用不稳定执行Reynolds-Averaged n - s方程(跑)10,11]。这些研究表明,向前运行取得了良好的结果,支持模式(附加流态),但在crashback产生显著差异,crashahead模式(分离流政权)。Vyšsohld和马赫什12]执行LES P4381绕流在crashback预支的比率。他们表明,LES收益率好的协议意味着,RMS的不稳定负荷以及光谱。张成泽和马赫什13]研究了导管的效果在crashback相同的螺旋桨。张等。(3)执行莱斯在其他比率,和,使用LES-generated表面部队预测叶片的结构响应。证明LES的固耦合(FSI)能力加上有限元结构解决。张成泽和马赫什14]介绍了压力两个量贡献力量理解推力的起源和侧向力和使用条件平均研究极端振幅事件。时等。(15)执行流过去的推进器的LES crashback附加到一个上游潜艇船体。
本文的目的是(1)总结使用LES明尼苏达大学的预测不稳定负荷crashback船用推进器和(2)演示LES的效用在隔离船体的生理效应,管道和定子。本文组织如下。部分2介绍了控制方程和数值方法crashback模拟。LES开放推进器部分执行3所示。1。船体的影响研究3所示。2。模拟执行导管节推进器没有定子叶片3所示。3和定子叶片节3所示。4。
2。控制方程
因为所有固定部分是轴对称的,开放的推进器部分3所示。1,开放推进器axi-symmetric船体部分3所示。2节中,导管推进器,而定子叶片3所示。3可以解决在一个旋转的参照系。另一方面,导管与定子叶片推进器部分3所示。4需要一个移动网格技术,称为滑动界面的方法。
2.1。在一个旋转参考系n - s方程
模拟执行在一个非惯性参照系,旋转推进器。旋转参照系中的不可压缩n - s方程编写的绝对速度。在莱斯,大尺度的直接解决空间过滤计算方程,而小尺度建模占的次网格压力。旋转参照系中的过滤计算公式如下: 在哪里固定坐标系中的绝对速度,的压力,在旋转坐标系坐标,的角速度旋转的坐标系,运动粘度,是排列符号,overbar表示空间滤波器,然后呢是次网格压力。请注意,(1)有两个附加的条款占系统旋转(和)。提出的动态Smagorinsky模型杰et al。16由礼来公司[]和修改17)用于模型的次网格压力。
方程(1使用数值方法)是解决由Mahesh et al。2对于不可压缩流体在非结构化网格。该算法没有数值耗散推导是健壮的。它是一个有限体积方法,存储笛卡尔速度和压力重心的细胞,和面对正常速度独立存储的质心的面孔。预估的方法是使用。预测速度的控制体积重心首先获得,然后插值获得面对正常的速度。预测的脸正常速度预计,连续性方程离散满意。这产生一个压力泊松方程迭代使用代数多重网格方法解决。压力场是用于更新笛卡尔速度使用最小二乘方法最小化保护错误。使用Crank-Nicholson执行隐式时间推进计划。算法验证了各种各样的问题在雷诺数范围(2]。
2.2。啤酒配方的滑动界面的方法
滑动界面方法用于处理相对旋转网格系统。相对旋转网格以来没有重叠网格是一个刚性旋转的运动。唯一的十字路口是一个接口之间的网格,叫做滑动界面。网格之间的数据交换可以只在执行滑动界面,所以没有再啮合,变形或孔切割是必需的。滑动界面开发方法多次拉丝结构化网格(18,19)和非结构化网格(20.,21,是受欢迎的处理相对rotationg网格系统和非结构化网格。
滑动界面方法为本研究开发可以应用于任意形状的非结构化网格的大规模并行计算平台。图2显示了一个示意图滑动接口方法的非结构化网格。滑动的元素相邻子域的子域是由挤压。然而,滑动的元素相邻子域的子域和边界细胞不匹配将子域之间的相对旋转。如图2,滑动元素(黑色虚线)是挤压边界控制卷(黑色阴影)左边的子域。由于两个子域的网格不对齐,包含滑动元件的控制体积不知道没有一个搜索的过程。控制卷命名主机用蓝色元素和阴影。
滑动接口方法的控制方程表达的拉格朗日(ALE)制定[任意22)如下: 在哪里是网格的速度,它是由吗在本研究中由于网格的刚性旋转。由于没有网格变形、几何自动满足所以没有虚假的质量守恒定律创建源或汇。
3所示。结果
大涡模拟crashback条件下执行-比和雷诺数。预付比例和雷诺数被定义为 在哪里是自由流速度,螺旋桨的直径是磁盘,,运动粘度。推力被定义为的轴向分量力,扭矩轴向力的组成部分的时刻。和表示力的水平和垂直分量的矢量和收益率侧向力。无量纲的推力系数、转矩系数和侧向力系数被定义为 在一个旋转的速度用作参考速度,用作参考面积归一化。从今以后,表示平均值表示标准偏差。
3.1。打开推进器
3.1.1。问题描述
船用螺旋桨的模拟执行P4381,五刃的,与可变螺距右手,没有倾斜和倾角。螺旋桨被用于各种实验(4,7,8和计算3,10- - - - - -12,14]。叶片和轮毂几何细节杰塞普等给出了。4]。现在的杰塞普等模拟比较。的(4水隧道(WT)实验。统计数据的不稳定负荷也比较开放水域(噢)实验大卫泰勒模型盆地。
计算域是一个圆柱体的直径的长度和在哪里螺旋桨的直径磁盘。计算域是基于WT几何学。自由流速度边界条件指定在进口和外侧边界。在出口处对流边界条件规定。因为速度控制方程中规定的固定参照系,边界条件在坚固的墙壁也规定的固定框架。计算域和边界条件的示意图如图3(一个)。
(一)
(b)
计算网格如图3 (b)。整个网格系统由两个组件:一个圆柱形子域包括叶片和轮毂表面,和子域的外部区域。圆柱形子域充满了四面体元素匹配螺旋桨的复杂几何,和外部区域由六面体的元素。棱柱层挤压从叶片表面以提高分辨率附近墙上在第0.0017的高度。回想一下,推进器crashback本质上是一个大规模分离流的政权。因此,解决壁面流没有严格的要求,因为它是连接流(如向前/向后条件)。1930万年的计算网格由控制卷。
3.1.2。时间不稳定负荷的历史
一段时间的历史在图4(一)显示大的波动和叶片负荷的低频振荡。表1比较统计数据不稳定的负载实验结果在三个预先比率(,,)。良好的协议是观察,计算平均值和白雪WT的结果与实验。内的协议与实验数据之间的散射观察实验。同样,标准差和侧向力大小与WT实验显示良好的协议。功率谱密度也显示了类似的协议。总的来说,功率谱密度图4 (b)显示了很好的协议除了高频区域( )实验的不确定性很大。杰塞普(私人交流),根据在高频区域的差异可能是由于叶片弯曲和振动,或其他shaft-related共振影响测量数据。找到最明显的峰值 叶片通过频率。图4 (c)显示一个高度不稳定的存在涡环的等值面不断低压LES的结果。
(一)
(b)
(c)
3.1.3。流场
计算结果在时间平均135.7革命的时期。自时均流场在WT实验测量飞机的固定框架,比较之前的时均场LES进一步在周向平均。概要文件从压痕平均轴向速度提取5位置和比较实验数据图5。资料显示好协议的位置。
为了描述推力和侧向力的分布在叶片表面,叶片表面分为十表示半径部分压力和吸力,意味着推力和侧向力计算在每个径向部分和比较图6。在吸入端线性增加随着半径的增加,除了叶梢。这个异常是由于较小的区域在叶尖的部分。吸力面生成更多和压力面。在吸入端没有显示径向依赖,与推力。
(一)
(b)
压痕平均流线三个推进率比较图7。注意,涡环核心位于叶片顶部正上方。这种行为可以解释为强回流引起的螺旋桨旋转越快5克服自由流动力,涡环移动靠近螺旋桨。另一方面,反向流动弱是由于旋转越慢。涡环移动下游在高负的。
(一)
(b)
(c)
3.2。打开推进器与船体
3.2.1之上。问题描述
本节的目的是评估的能力LES预测的上游船体的交互在crashback推进器。桥梁等的实验(5)在一个开放的推进器与上游潜艇船体在大空化通道(LCC)指出,侧向力急剧增加低于预付款的比例杰塞普的实验相比,8]没有船体WT。一个标准的轴对称壳(DTMB模型5495 - 3)用于船体几何。船体几何细节给出了(5]。模拟中,有一半的船体的身体使用和稳定鳍被忽略。计算域的大小完全一样的推进器和指定的边界条件也同样开放。计算网格是使用一个类似的策略如创建部分3.1。1。非结构化网格的情况下(有或没有船体)如图8。
3.2.2。时间不稳定负荷的历史
模拟执行的推进器和没有船体和。低于临界进步比的,高于临界比例。表2计算表明,侧向力大小与实验结果吻合较好,为推进器,没有船体在推进比率。在侧向力大小与船体略低于实验,但重要的是莱斯预测实验观察增加侧向力与船体。另一方面,船体不显著改变侧向力大小。
水平力的功率谱密度显示有和没有船体在图9在。最重要的是达到顶峰这也被观察到在3,12,14]。这对应于五刀片的刀片的推进器。低频率、高振幅调制的侧向力有重要影响车辆的机动性。为光谱,峰值频率较低与船体同意很好,观察到桥梁et al。5) 。与实验的比较总结了表3。
3.2.3。流场
上的数据流场计算超过170推进器旋转推进器船体和172没有船体在旋转。压痕平均流线图10揭示了紊流区上游的叶片在船体的存在。附近没有这样的再循环区出现轴没有船体。在船体的存在,涡环似乎更紧凑,其中心是靠近叶片相比更细长,伸出涡环没有船体。注意,涡环更接近于叶片的顶端时,船体。表4显示了很好的协议涡环的中心的距离相对于推进器莱斯和实验之间的中心(5]。
(一)
(b)
为了比较侧向力分布和没有船体,侧向力大小计算十径向部分在图11。注意,侧向力的大小是观察与船体高于没有船体。对于这两种情况下,吸力面比压力面产生的侧向力。大部分的侧向力产生的叶根区域在这两种情况下。
(一)
(b)
3.3。导管没有定子叶片推进器
3.3.1。问题描述
调查在crashback管性能的影响,增加了中立管加载适合在螺旋桨杰塞普et al .(4381年8]。管是为了不产生额外的推进器加载在设计进步的比率。设计导管推进器也有13个定子叶片转子叶片的上游。模拟执行在同一雷诺数和相同的比例如部分开放的推进器3所示。1。打开推进器周围的流在旋转参照系中已经解决了。然而,管道中的推进器与定子叶片在旋转框架不能解决由于定子叶片不是轴对称。在本节中,忽略定子叶片,如图12(一个)模拟旋转参考系中的导管推进器和隔离管的影响,定子叶片。定子叶片被认为是使用滑动界面方法部分3所示。4。
(一)
(b)
计算域的大小完全一样的推进器和指定的边界条件也同样开放。计算网格是使用一个类似的策略如创建部分3.1。1。螺旋桨的计算网格如图12 (b)。看过的总数计算的简历了。大约是1900万年。
3.3.2。时间不稳定负荷的历史
统计,,计算并与实验结果杰塞普等人的吗。(8唐纳利)和et al。9]。自管部队没有杰塞普等测量。的(8)实验中,叶片表面的统计值与实验数据进行比较。唐纳利et al。9测量管表面的侧向力大小。表5比较均值和标准差计算不稳定载荷实验结果。计算结果与实验结果显示良好的协议。回想一下,和从莱斯位于WT和雪结果之间打开推进器。尽管计算和大于WT实验中,几何假设可能是错误的来源,然而,LES结果预计将接近实验结果。同时,叶片和管道表面上非常接近WT数据。影响管道的推力是扭矩相对较小,可以忽略不计。然而,侧向力显示了完全不同的行为。管是大约4倍在叶片上。这表明管道表面侧向力是主要的贡献者。
3.3.3。流场
计算结果在时间平均93.8革命的时期。图13比较了压痕平均流场的导管推进器(图左)与开放的推进器(图)。涡环核心位于外的管道图(13日)。压力之间的压差和抽吸导管推进器要高得多。高压区域附近是管道的差距,从而导致叶尖泄漏流。
(一)
(b)
调查的多数生成侧向力管,轮廓的RMS压力管道表面绘制在图14。管表面分为内表面和外表面和展开飞机。倾斜线在图(14日)代表叶片的位置提示。注意,RMS的水平内表面的压力远高于外表面,特别是叶片附近的技巧。这种行为表明,侧向力对管道主要源于blade-duct交互。
(一)
(b)
3.4。导管与定子叶片推进器
3.4.1。问题描述
在前面的小节中,定子叶片时忽略计算导管推进器在旋转参照系。即使定子叶片的设计贡献没有额外加载在设计之前比,他们的表现在crashback是未知的。因此,定子叶片被认为是与滑动接口方法中引入部分2.2。计算动静干涉的问题相对旋转网格系统如图(15日)。
(一)
(b)
计算域的大小完全一样的开放和导管推进器。因为速度的控制方程中指定固定参照系类似于旋转参考系方法,边界条件也同样指定。计算网格是使用一个类似的策略如创建部分3.1。1用在滑动界面附近,但六面体的元素是获得更好的从nonmatching边界的插值精度。图15 (b)显示了计算网格导管与定子叶片推进器。在图中,红色的线代表滑动界面。看过的总数计算的简历了。大约是2700万年。
3.4.2。初步结果
初步仿真滑动界面的方法执行的导管与定子叶片推进器。在同一雷诺数仿真执行,推进的比率。34.7转速执行,统计数据不稳定的负载超过18.9转速计算。时间的历史如图16。表6比较均值和标准差计算与实验结果不稳定负荷。计算结果与实验结果显示合理的协议。由于定子叶片连接管表面,管力可以视为负载管和定子叶片的总和。计算管道和定子表面是在良好的协议。管对推力的影响相对较小,这在扭矩明显大了。此外,管道仍然是侧向力的主要因素。
瞬时流场如图17。高度非定常流交互观察,和压力轮廓顺利滑动界面的连接图(17日)。压力分布是绘制在图17 (b)。高压区域观察到定子叶片的前缘附近的管的内表面。
(一)
(b)
4所示。总结
莱斯的预测能力作为一个高度复杂的工具流在船用推进器。莱斯已经完成船用推进器的非设计工况条件,称为crashback,这是众所周知的最具挑战性的一个推进器操作分析。自由流的交互与回流反向旋转推进器原因导致一个高度不稳定的涡环导致流动分离和不稳定力量和时间。莱斯已经进行了一个开放的推进器,打开推进器在船体,导管推进器crashback没有定子叶片。LES使用离散动能保护算法由Mahesh et al。2非结构化网格。
开放的推进器,杰塞普等对实验进行模拟验证。(4),结果显示良好的协议与实验。莱斯能够繁殖实验观察增加侧向力的一个开放的推进器与船体下面预支的比率。均值、均方根和光谱的非定常载荷与杰塞普等人的实验好协议。(4)和桥梁等。(5]。导管推进器,大多数的推力仍是由于叶片,但blade-duct相互作用会导致管表面产生的侧向力。滑动界面开发方法,使模拟的并行计算平台上的推进器。初步结果从滑动接口方法的应用导管与定子叶片推进器与实验显示良好的协议。
确认
这项工作是由美国海军研究办公室下ONR格兰特n00014 - 05 - 1 - 0003与Ki-Han Kim博士项目经理。北极地区超级计算中心提供的计算资源(ARSC)高性能计算现代化项目(HPCMP)和明尼苏达超级计算研究所(MSI)。作者感谢杰塞普,斯图尔特博士博士马丁·唐纳利克里斯托弗Chesnakas博士以及他们的同事在NSWCCD提供实验数据。他们也想表达自己的感谢彼得Chang博士有用的讨论。