文摘

空泡绕流两个模型的数值预测螺旋桨的流入规模提出和讨论。使用商业CFD模拟进行解决。齐次模型和三个广泛的影响传质模型,在数值预测的准确性,是评估。传质模型的问题分享使用经验的共同特征系数调整质量传输速率从水和蒸汽,从而影响预测的稳定性和准确性。因此,对于公平和一致的比较,不同的传质模型的经验系数首先正确校准使用一个优化策略。数值结果,三种不同的校准传质模型,选择彼此非常相似的两个螺旋桨模型规模。然而,倾向于高估腔扩展观察到,因此推力,在最严重的操作条件下,不正确的预测。

1。介绍

在海洋领域的应用,在船用螺旋桨的特定情况下,出现空泡,一般来说,设计相关的负面影响,如减少推力、噪音、振动、和侵蚀。还在过去的几十年里,由于计算机性能的稳定增加,为了提高设计过程中,几个CFD(计算流体动力学)方法已经开发了空泡外形的预测和估计的影响。

在这项研究中,我们评估的功能单一,即单一流体模型在ANSYS中实现排名12(简洁排名以后)商业CFD的能手,螺旋桨空泡绕流模型规模的预测工作在统一的流入。该模型将空泡流的混合两个流体表现为一个单一的一个。的控制方程由(体积)连续性和动量方程的混合物,加上水体积分数的输运方程。传质速率由于空化是由相同的源项中出现的(体积)连续性和体积分数方程。这个源项,在它,使用默认设置是模仿采用传质模型最初提出的兹瓦特et al。1(简洁兹瓦特)。然而,在文献有几种其他传质模型(见[2])。因此,为了提高模拟的可靠性除了兹瓦特模型我们也使用其他两个广泛的传质模型:该模型最初提出的昆兹et al。3)(为简便起见Kunz)和模型最初提出的Singhal et al。4)也被称为完整的空化模型(FCM以后)。昆兹和FCM模型添加到它解算器使用玻璃纸(排名表达式语言)。

澄清的基础,考虑传质模型分享使用经验的共同特征系数调整质量传输速率由于冷凝和蒸发过程,和他们的价值观可以显著影响稳定性和数值预测的准确性。因此,为了正确评价三种不同的影响传质模型的稳定性和准确性数值预测,他们的经验系数首先正确和生活会校准使用一个优化策略(5]。考虑到二维模型校准稳定单腔naca - 66 (MOD)水翼绕流。校准的质量传递模型被用来研究螺旋桨空泡绕流两个模型规模公认的国际标准,也就是说,E779A螺旋桨和PPTC螺旋桨。

数值结果与现有的实验数据。两个螺旋桨,三个选定的操作条件下,对应部分的外观和/或梢涡空泡,被认为是(6,7]。等条件下,数值结果与不同的校准传质模型非常相似,与实验数据相比,虽然数值略有高估了空化模式。然而,对于E779A螺旋桨,还更严重的操作条件的模拟,推力分解不正确预测。

在下面,均匀(液体)模型用于这项研究提出了第一,紧随其后的是优化策略的描述用于校准不同的传质模型。那么结果考虑螺旋桨空泡绕流两种不同模型规模。最后,给出了一些结论。

2。数学模型

空泡流可以使用几种方法建模。一个优秀的审查提供了不同的方法比如Koop [8]。在这项工作中,我们使用齐次运输equation-based模型(9,10),在下面描述。

2.1。控制方程

已经表明空泡流模型两种物质的混合物,也就是说,蒸汽和液体的行为作为一个单一的一个,这两个阶段共享相同的速度以及压力场。

在运行的情况下(Reynolds-averaged纳维斯托克斯)扰动方法,采用涡粘性模型和假设不可压缩液体和蒸汽阶段,动荡的空泡流可以被描述为以下的一组控制方程: 是,,体积和liquid-vapour混合物的动量方程和连续性液相体积分数方程。在上面的方程中,和分别)液体和蒸气密度。平均速度和吗(),平均压力。代表了额外的动力来源(例如,科氏力和离心力在旋转参照系中)。是水体积分数有关蒸汽体积分数吗通过体积分数限制: 混合密度(动态粘度)和层流)根据评估 在哪里(),(分别)液体和蒸汽动力粘度。由于空化代表了相间转移速率。在这项研究中,是模仿使用另外三个不同传质模型在下一小节中介绍。

最后,以关闭系统的控制方程,湍流混合粘度)是评估使用涡粘性湍流模型的单相流。特别是,两个方程的标准- - - - - -海温(剪切应力传输)和湍流模型。上面描述的湍流模型是指(10- - - - - -12]。

2.2。传质模型

传质模型描述/调节相间传质速率由于空化。在过去的二十年里,一些作者提出不同的传质模型。

在下面,我们提供一个简要的描述三个不同传质模型采用在这项研究中,在相间传质速率由于空化被认为积极如果直接从蒸汽到水。这些模型,除了完整的空化模型是简化版本的原始配方,溶解气体的贡献被省略了。

2.2.1。兹瓦特模型

兹瓦特模型是本机只传质模型。它是基于简化Rayleigh-Plesset方程泡沫动力学(13]: 在上面的方程中,蒸汽压力,是成核体积分数,成核的半径,和两个经验校准系数的蒸发和凝结过程,分别。在排名中,上述系数,默认情况下,设置如下:,米,,。

此外,上述方程表明,冷凝和蒸发的表达式是不对称的。特别是,在蒸发的表达式,取而代之的是考虑到,随着蒸气体积分数的增加,成核密度必须相应减少。

2.2.2。完整的空化模型

传质模型提出的Singhal et al。4),原名完整的空化模型,目前在一些商业CFD代码,也就是说,流利(14]和PUMPLINX [15]。这个模型也是基于Rayleigh-Plesset方程的简化型泡沫动态,及其配方状态如下: 在哪里蒸汽质量分数,(/)是湍流动能,(N / m)是表面张力,和和两个经验校准系数。

重要的是要注意,在这个工作中,为了方便起见,我们没有使用的原始配方模型,但制定派生Huuva [16在蒸汽质量分数,,取而代之的是蒸汽体积分数。

2.2.3。昆茨模型

昆兹传质模型是基于Merkle等的工作。17),目前是一个传质模型中实现OpenFOAM库(18]。在这个模型中,与上述模型、传质是基于两种不同的策略来创造和破坏的液体。液体蒸气的变换计算量是成比例的压力低于蒸汽压力。蒸汽转换为液体,否则,是基于一个三阶多项式函数的体积分数,。被定义为特定的传质速率: 在上面的方程中,(米/秒)是自由流速度和是平均流量的时间尺度,在哪里特征长度尺度。和两个经验系数。在原来的配方,。

3所示。传质模型的校准

如前一节所述,在齐次运输equation-based模型中,一个特定的传质模型,调节质量传输率从液体和蒸汽需要为了模拟空泡流。

在这项研究中,我们使用兹瓦特模型,FCM模型,和昆茨模型。正如已经指出在前一节中,这些模型采用经验系数调整冷凝和蒸发过程的模型,这反过来会影响数值预测的准确性和稳定性。

因此,为了确保这三个不同的传质模型,稳定性和良好的精度预测,经验系数的三种不同传质模型正确校准使用一个优化策略。整个标定过程是由modeFRONTIER 4.2优化系统,在下面描述。我们提醒,modeFRONTIER (19)是一个通用的集成和多目标优化平台,它可以驱动各种各样的CAE包和提供统计和可视化工具。是常用的功能和形状优化的系统和设备,例如,看到20.]。值得说的是,开发策略,经验系数调整考虑NACA66周围空泡流的二维表(MOD)水翼(21]。通过这种方式,由于较低的计算成本,我们可以探索,在合理的计算时间和计算资源有限,大量的系数的组合。因此,我们也有机会验证系数校准对于水翼的情况,可以有一个共性,可以成功地应用于螺旋桨流问题。

3.1。这个想法和逻辑的优化策略

在发达优化策略,三个不同的传质模型正确校准通过搜索的值最小化目标函数的经验系数。目标函数代表数值和实验压力分布之间的差异的吸力面NACA66 (MOD)水翼评估在攻角AoA = 4°和三个不同的空泡流机制。更准确地说,目标函数表达如下: 在哪里和是压力系数的数值和实验值,在吗=水翼的吸力面位置,空化数定义如下: 在哪里()是压力和参考()自由流速度。

为了找到最小的值、两种不同的优化算法在序列运行。设计空间是首先使用MOGA-II探索,多目标遗传优化算法中可用modeFRONTIER 4.2 [19]。MOGA-II运行十代从一个初始DOE(试验设计)的十个设计随机生成的。为了完善解决方案,单纯形(22),单目标优化算法,从使用MOGA-II获得的三个最佳解决方案。没有观察到显著改善使用单纯形算法。

图1显示了逻辑的优化策略,优化器块保持MOGA-II和单纯形算法,,(X1,X2)代表了一些经验系数这三个不同的传质模型。

数值设置采用运行模拟,优化内部流程,简要描述在下面。更多细节可以在[5]。

3.2。仿真设置

在优化过程中,模拟进行了使用以下策略。

水翼的空泡绕流模拟矩形域如图2。模拟进行了2 d和假设稳态条件。对于湍流闭合,标准- - - - - -湍流模型,结合可伸缩的墙功能(10),采用。下面的边界条件被应用。在固体表面(上,下,NACA66 (MOD)),无滑动条件成立。在出口边界,一个固定的静态压力,= 202650 Pa是对对称条件的侧脸和执行。进口边界条件,自由流速度组件和湍流量的值是固定的。水和蒸汽的体积分数等于1和0,分别。为了匹配实验装置,在数值模拟中使用了相同的雷诺数。自水运动粘度,自由流速度= 12.2。假设1%的湍流强度,湍流动能和湍流耗散率是等于,进口边界条件。水的密度是等于和最大的水气密度比率是有限的/= 1000,以确保规划求解的稳定性。所有的模拟进行了与58700节点六面体网格证明给网格独立结果(5),完全润湿流。图3显示生成水翼周围的计算网格与ANSYS-ICEM网格生成器(ICEM以后)。的平均值评估固体表面的水翼等于28。被定义为,在那里是摩擦速度,是正常的距离墙,壁剪切应力。

3.3。校准结果

在这项研究中,蒸发和冷凝兹瓦特模型的系数调整在以下范围: ,。最好的结果是发现= 300,= 0.03。

FCM,蒸发系数的值和冷凝系数调在以下范围: ,。最好的解决方案被发现和。

昆兹,设计空间被定义如下:,。最好的解决方案是实现和。昆兹模型,以平均流量的时间尺度的和弦,水翼被选为长度范围内,后,(16]。

为了完整性,表1强调了经验系数,使得校准过程比默认的完全不同。校准和默认值之间的差异系数较低的兹瓦特模型,可能是因为被这个排名的原生传质模型,提出经验值已经发现适合广泛的应用程序。

图4所示,例如,蛀牙如何预测noncalibrated传质模型有较低的蒸气内容和较短的比获得的校准模型。这些差异更明显的FCM和昆兹传质模型。事实上,考虑到吸力面压力分布在图5,可以注意noncalibrated传质模型,特别是与昆兹和FCM传质模型,数值腔明显低估的实验相比,三种不同的空泡流机制,也就是说,,,。另一方面,从空化模式呈现在图4,吸力面压力分布在图6可以欣赏,数值结果所提供的三种不同的校准传质模型非常接近对方,符合实验数据。

最后,让我们澄清之前的预测应用于三维尺度螺旋桨空泡绕流模型,三种不同的校准传质模型首先考虑进一步评估二维单水翼周围空泡流机制(5]。

4所示。螺旋桨模型规模

4.1。测试用例

在这项研究中,模型规模螺旋桨E779A PPTC,描绘在图7,被认为是。

E779A螺旋桨是一个四叶、定螺距和low-skew螺旋桨,1959年设计直径D = 0.2272 m。自1997年以来,它已被用于实验活动由INSEAN(史重回di某Esperienze di Architettura Navale)旨在提供一个全面的描述船用螺旋桨流体动力学和水声学的范围广泛的操作条件。它被广泛用于验证CFD代码(例如,看到23- - - - - -25])。

PPTC(波茨坦推进器测试用例)是一个五刀片,可调螺距螺旋桨有直径D = 0.250 m用作盲目的测试用例在2011年的空化研讨会和螺旋桨的性能,(26]。大量的数据覆盖了螺旋桨的几何,打开水测试,速度场测量,和空化试验是目前在27]。实验数据记录在拖曳水池和空蚀试验槽的上海广电(波茨坦模型盆地)7,28,29日]。

4.2。解决方案策略

螺旋桨被认为在一个统一的流入,因此只有一个通道叶片为计算方便。数据8和9显示使用的计算域的形状E779A螺旋桨和螺旋桨PPTC的情况下,分别。域的维度表中列出2。

两个域划分为两个区域,即,旋转和固定和下面的边界条件:进口边界条件,自由流速度设置组件和动荡水平的1%。在出口边界,静压的固定值。在周期边界(域)的两边,保证旋转周期性。固体表面无滑动边界条件应用,和外边界滑移条件成立。自从螺旋桨旋转模拟使用MRF固定地区(多个参考系)的方法固定控制方程,解决了在一个固定的参照系,而进入一个旋转的地区旋转控制方程,解决了旋转参照系。离散化的平流项,高分辨率使用计划(10]。

对于湍流闭合,two-equation SST湍流模型结合使用自动墙处理(10,30.]。

对于一个给定的值系数,一个特定的空泡流态空化数定义,对于螺旋桨的情况,如下: 在哪里()是螺旋桨转速和P_V()是蒸汽压力。在这项研究中,我们假设。

对于所有不同的空泡流机制,数值预测进行了使用或者所有的三个不同的校准传质模型。

4.3。啮合

对于这两个螺旋桨,两个不同的域的网格区域,也就是说,固定和旋转生成独立于彼此。他们生成ICEM没有试图确保1:1匹配节点的接口(两个不同领域的常见的表面区域)。随后加入不同的域区域只使用GGI(广义电网接口)解算器的能力。从表3,可以对螺旋桨的注意旋转地区被hexa-structured离散网格生成,建议在[31日,32,通过分解域地区大量的街区。分辨率和质量的细胞通过一个适当的节点集块边缘分布。

的离散化固定地区而言,E779A螺旋桨hybrid-unstructured网的情况下使用,而在PPTC螺旋桨hexa-structured网的情况下采用。对于E779A螺旋桨,我们首选使用hybrid-unstructured网固定,因为我们观察到使用hexastructured方法块分解导致扭曲的地区高度扭曲的元素旋转。

澄清是很重要的,这里使用网格安排证明来保证网格独立前研究结果(33,34),和的平均值测量叶片表面被近似地等于38 E779A PPTC螺旋桨推进器和32。图10说明了两个螺旋桨的叶片曲面网格。

4.4。结果与讨论

之前讨论的结果,重要的是要指出,在所有模拟最大密度比率是有限的/= 1000为了保证求解的稳定性。此外,在昆茨模型的价值根据操作条件是,在那里是螺旋桨桨叶弦螺旋桨半径的70%(),()的自由流速度。

相比,数值结果定量地考虑问题的全局值所代表的推力和转矩系数定义如下: 在哪里(),()是螺旋桨推力和扭矩,()是螺旋桨转速和(螺旋桨直径。

的相对误差百分比计算,值定义如下: 在哪里,数值和吗,,实验值。

定性比较,草图的空化模式被认为是。

接下来,E779A螺旋桨的结果给出了第一,紧随其后的是那些获得PPTC螺旋桨。

4.1.1。E779A螺旋桨

后的空泡流的预测进行了实验装置由INSEAN建议(35在[]和报告6,23]。

在图11、空化模式预测三个特定的操作条件和使用三个不同的传质模型,定性比较。从图11,可以注意,空化模式预测的三种不同传质模型非常相似。即使略有高估了空化模式,从表4有可能升值,对于这些操作条件推力和扭矩系数的预测值与实验数据相比,很好。

数据12和13也表明,覆盖更广泛的操作条件下,使用不同的传质模型获得的结果是相同的。然而,空化数对推力和扭矩的影响没有被正确复制导致的过早预测推力崩溃。

数值结果和实验测量之间的差异可能会高估的空化模式(见图11)。

10/24/11。PPTC螺旋桨

数值预测进行了以下提供的指令请smp的11个研讨会的组织者,因此空泡流预测根据推力进行了标识(noncavitating流条件),,。在我们的例子中,为了实现这种必要的内部误差3%的公差小值,也就是说,,流入速度略微降低导致。表5收集值预测的三种不同的操作条件和试验得到的那些。图14表明空化模式获得了使用三种不同的校准传质模型,在一般情况下,相比非常相似,很好地与实验可视化的考虑操作条件,也就是说,(,),(,)和(,)。从表6,可以注意,推力和转矩系数的值或者使用三种不同的校准质量传递模型预测令人惊讶的是彼此非常接近,在良好的协议与实验数据,,即使空化模式是正确的形状与FCM只复制。关于其他的运营条件,预测和实验值之间的差异更明显兹瓦特模型(,FCM模型)和(,)。

5。结束语

在这项研究中,一个著名的商业计算流体动力学解算器,ANSYS-CFX 12,是用来预测螺旋桨空泡绕流模型规模在统一的流入。使用齐次模型进行模拟,和三个广泛的影响传质模型,在数值预测的准确性,是评估。考虑传质模型的共同特征采用经验系数调整传质速率由于蒸发和凝结过程,从而影响数值预测的准确性和稳定性。因此,对于公平和一致的经验系数比较三种传质模型第一次被正确校准使用一个优化策略由modeFRONTIER 4.2优化框架。模型校准的基础上的二维水翼绕流的一种稳定的单腔。

校准模型被用来预测螺旋桨空泡绕流模型规模E779A PPTC。

没有观察到显著差异在模拟使用或者执行三个不同的校准传质模型。对选定的操作条件下,对应部分的外观和梢涡空泡,数值结果与实验数据相比,即使稍微高估观察腔扩展的趋势。不幸的是,考虑到其他更严重的操作条件,数值结果与实验数据显示显著差异。在这方面有进一步的调查正在进行中。

确认

本研究项目的背景下进行开式船,由Regione FVG-POR FESR 2007 - 2013 Obiettivo competitivita regionale e occupazione。作者要感谢INSEAN,特别是弗朗西斯科·塞尔瓦托博士提供的援助和E779A螺旋桨的几何和实验测量。