一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法

1.本发明属于船用推进器领域，尤其是涉及一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法。

背景技术：

2.物理试验是准确评估船用推进器的空泡、激振力和噪声性能的有效手段。在专业水动力性能实验室中进行非均匀来流下推进器试验时，伴流场的准确模拟则是推进器空泡振动噪声性能试验研究的一个重要环节。
3.船艉伴流场通常可以采用缩比整船模带全附体模型、缩短的假体伴流模型以及金属网格模拟方法。其中，船模带全附体伴流就是将实尺度船舶按照一定比例整体缩放，实船与船模完全几何相似。缩短的假体伴流模型则是在最大程度保持艉部几何相似的情况下，将整船模缩短的伴流模型。金属网格伴流则是根据船艉伴流等值图，用多层疏密特殊配制的金属网格模拟出目标伴流场。
4.整船伴流虽然几何相似，但是其制作加工成本高，只适用于大尺度水池、空泡水筒或水槽实验室，不能用于中小型空泡水筒或水槽；而且由于尺度效应，其船艉伴流分布并不与实船相同。
5.缩短的假体伴流模型则是不完全几何相似的，适用于大中小水池、空泡水筒或水槽，但是需要多次调整修改其外部形状近似模拟目标轴向伴流，但这种修改过程需要丰富的经验，修改周期长，而且需要反复加工，模拟的人工成本和加工成本都较高。
6.金属网格伴流，与实船不完全相似，仅模拟目标轴向伴流，适用于大中小水池、空泡水筒或水槽，但求实验室具有丰富经验的伴流模拟技术人员和手工精巧的钳工，多次修改调整测量，模拟周期较长，且背景噪声较高，不能用于噪声测量试验。
7.如公开号为112284681a的中国专利文献公开了一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，利用网格+附体模型，可较准确且较方便的模拟带船尾节能附体的单桨船舶或带轴支架的双桨船舶的三向伴流，在此伴流场中开展桨模试验更接近实船工况，试验结果更加准确可靠。网格采用多层金属丝编织而成，固定在空泡水筒测试段水流进口附近；附体模型采用3d打印等方法得到，周期短、成本低，且方便安装在空泡水筒试验轴上的桨模紧前方位置。该方法拓展了中型空泡水筒的试验能力，可更加细致的观察桨模前方的节能附体或轴支架等对螺旋桨性能产生的影响。
8.但是，上述方法，整船伴流虽然几何相似，但是其制作加工成本及试验成本较高；缩短的假体伴流模型则是不完全几何相似的，需要反复加工，模拟的人工成本和加工成本都较高；金属网格伴流，要求实验室具有丰富经验的伴流模拟技术人员和手工精巧的钳工，模拟周期较长，且不能用于噪声测量试验。

技术实现要素：

9.本发明提供了一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，可采用
3d打印伴流模型快速准确获得低噪声目标伴流场，适用于各种尺度大小的水池、空泡水筒或水槽开展非均匀来流推进器性能试验。
10.一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，包括以下步骤：
11.(1)采用四边型蜂窝三维结构作为伴流模型的结构，对伴流模型所产生的流场信息进行数值计算分析，将数值计算结果与试验测量值进行对比，矫正计算方法后计算不同尺寸的伴流模型所诱导的流场，建立伴流模型的尺寸与伴流分数大小对应的函数关系；
12.(2)基于船艉目标伴流等值图，提取伴流区域边界和等值线几何坐标信息，以此作为控制伴流分数大小的边界条件，并基于数值网格生成方法，将伴流区域划分成同尺寸四边形网格；
13.(3)提取四边形网格的节点坐标信息，利用步骤(1)得到的函数关系将节点向临近推进一个、两个或者四个节点，生成三维建模软件所需的节点坐标格式文件；
14.(4)在三维建模软件中依次导入节点坐标信息，将坐标点按顺序相连成线，再进行拉伸成面，最后进行面加厚处理；
15.(5)对三维建模软件建好的三维模型进行数值计算，将计算得到的伴流分布与目标伴流进行对比，如有误差，则细微调整三维建模软件所需的节点坐标，重复步骤(4)～(5)，直至得到精度满足要求的伴流模型；
16.(6)采用3d打印技术打印伴流模型，以获得低噪声目标伴流场。
17.进一步地，步骤(1)中，建立伴流模型的尺寸与伴流分数大小对应的函数关系如下：
18.w
x
＝2.11-1.02*λ+0.211*λ
2-0.016*λ319.其中，λ为四边型蜂窝的网格孔厚比，λ＝d/b，d为网格孔径，b为网格壁厚，b≥0.3mm，1.5≤λ≤6.5。
20.函数关系的限制条件为：b+d的值为0.0075d～0.02d，伴流模型与推进器转子盘面的距离为0.02d～2d，其中，d为推进器转子直径。
21.建立伴流模型的尺寸与伴流分数大小对应的函数关系具体过程为：
22.基于realizable k-ε湍流模型，应用计算流体力学软件对λ＝2.0的伴流模型进行流场计算，与实验结果对比后修正数值计算方法；最后采用修正后的数值计算方法计算不同λ下伴流分数的值，经数据拟合得到λ与w
x
函数关系。
23.步骤(2)的具体过程为：
24.将船艉目标伴流等值图放入作图软件中，缩放至实验用大小，描绘出等值边界线，接着提取等值线几何坐标信息，以此作为控制孔厚比的初始区域边界；
25.将初始区域边界向伴流区域内平移0.5mm，构成新的区域边界；然后，采用四边型网格对新区域边界内的伴流区域进行划分，初始网格划分尺寸为b+d＝0.01d；对网格节点进行编号并提取几何坐标信息保存。
26.步骤(3)中，将节点向临近推进一个、两个或者四个节点的依据为：
27.当节点1位于新区域边界线的交点时，其坐标点记为(x1,y1)，将该节点向临近推进一个节点，生成新的一个节点1-1，坐标点记为(x
1-1
,y
1-1
)；
28.当节点2位于新区域边界线上的网格节点处，其坐标点记为(x2,y2)，将该节点向临近推进两个节点，生成新的节点2-1和节点2-2，对应的坐标点分别记为(x
2-1
,y
2-1
)、(x
2-2
,y2-2
)；
29.当节点3位于伴流区域内网格节点处，其坐标点记为(x3,y3)，将该节点向临近推进四个节点，生成新的节点3-1、节点3-2、节点3-3和节点3-4，对应的坐标点分别记为(x
3-1
,y
3-1
)、(x
3-2
,y
3-2
)、(x
3-3
,y
3-3
)、(x
3-4
,y
3-4
)；
30.当节点4位于伴流分数为w
x,b
的区域内，但等值边界曲线穿过其所在的网格，其坐标点记为(x4,y4)，该节点向临近推进四个节点，生成新的节点4-1、节点4-2、节点4-3和节点4-4，对应的坐标点分别记为(x
4-1
,y
4-1
)、(x
4-2
,y
4-2
)、(x
4-3
,y
4-3
)、(x
4-4
,y
4-4
)。
31.节点1-1与节点1的坐标关系为：
32.x
1-1
＝x1+dx y
1-1
＝y1+dy
33.其中，dx＝0.5ba，dy＝0.5ba，da＝λaba；
34.该区域伴流分数为w
x,a
，对应的孔厚比为λa，则网格孔径为da，网格壁厚为ba。
35.节点2-1、节点2-2与节点2的坐标关系分别为：
36.x
2-1
＝x2+dx y
2-1
＝y
2-dy
37.x
2-2
＝x2+dx y
2-2
＝y2+dy
38.式中，dx和dy均为0.5ba。
39.节点3-1、节点3-2、节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系分别为：
40.x
3-1
＝x
3-dx y
3-1
＝y
3-dy
41.x
3-2
＝x
3-dx y
3-2
＝y3+dy
42.x
3-3
＝x3+dx y
3-3
＝y3+dy
43.x
3-4
＝x3+dx y
3-4
＝y
3-dy
44.式中，dx和dy均为0.5ba。
45.节点4-1、4-2与节点4的坐标关系同节点3-1、3-2与节点3的坐标关系；对于节点4-3和节点4-4，首先判定节点4与等值边界曲线的最短直线距离l与初始网格划分尺寸的关系：
46.如果l＞0.005d，则节点4-3、节点4-4与节点4的坐标关系同节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系，dx＝dy＝0.5bb；bb为伴流分数为w
x,b
区域的网格壁厚；
47.如果l＜0.005d，则节点4-3、节点4-4与节点4的坐标关系同节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系，但dx＝dy＝0.5bc；bc为伴流分数为w
x,c
区域的网格壁厚；
48.如果l＝0.005d，则节点4-3、节点4-4与节点4的坐标关系同节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系，但dx＝dy＝(0.5bb+0.5bc)/2。
49.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
50.本发明基于数值计算分析、数值网格划分、网格节点坐标提取转换、智能化三维建模和3d打印技术，可快速准确的得到目标伴流场，背景噪声较低，适用于各种尺度大小的水池、空泡水筒或水槽开展非均匀来流推进器性能试验。
附图说明
51.图1为本发明一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法流程图；
52.图2为本发明实施例中四边型蜂窝三维结构的平面示意图；
53.图3为本发明实施例中伴流区域的初始区域边界示意图；
54.图4为本发明实施例中伴流区域的新的区域边界示意图；
55.图5为图4中节点1、节点2和节点3生成新节点的示意图；
56.图6为图4中节点4生成新节点的示意图；
57.图7本发明实施例制作的伴流模型图。
具体实施方式
58.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
59.如图1所示，一种一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，主要包括如下步骤：
60.1)对四边型蜂窝三维结构模型所产生的流场信息进行了数值计算分析，将数值结果与试验测量值进行对比，矫正计算方法后计算了不同尺寸的结构模型所诱导的流场，建立了结构模型尺寸与伴流分数大小对应函数关系。
61.如图2所示，为四边型蜂窝三维结构的平面示意图，z轴正方向满足右手定则。网格孔径为d(单位：mm)，网格壁厚为b(单位：mm)，推进器转子直径为d(单位：mm)，孔厚比为λ：
62.λ＝d/b(b≥b
min
，一般为0.3mm，代表模型加工最小要求厚度)
63.来流速度为u，伴流场中的轴向速度为u
x
，伴流分数为w
x
：
64.w
x
＝1-u
x
/u
65.基于realizable k-ε湍流模型，应用计算流体力学软件对λ＝2.0三维结构模型(其中z轴方向模型长度为0.08d、0.12mm、0.15mm和0.2mm)进行流场计算，与实验结果对比修正了数值计算方法，建议选用0.12mm长度即可，即能满足结构强度，也能满足流场设计要求。最后采用修正后的数值方法计算了不同λ下伴流分数的值。经数据拟合得到λ与w
x
函数关系：
66.w
x
＝2.11-1.02*λ+0.211*λ
2-0.016*λ3(1.5≤λ≤6.5)
67.所示函数关系的限制条件为：b+d为0.0075d～0.02d，伴流模型距离推进器转子盘面0.02d～2d。
68.2)基于船艉目标伴流等值图，提取伴流区域边界和等值线几何坐标信息，以此作为控制伴流分数大小的边界条件，基于数值网格生成方法，将伴流区域划分成同尺寸四边形网格。
69.螺旋桨工作于船后的艉流场中，通常由拖曳水池船模艉流场测量实验获得该流场分布，既为船艉伴流等值图。将等值图放入cad或其它作图软件中，缩放至实验用大小(一般为1.5d的圆形区域)，描绘出等值边界线，最后提取等值线几何坐标信息，以此作为控制孔厚比的初始区域边界，如图3所示。
70.首先，为增强伴流发生器的几何结构稳定性，区域边界向伴流区域内平移0.5mm，构成新的区域边界条件，如图4所示。其次，采用四边型网格对伴流区域进行划分，为满足曲线边界条件，通常网格尺寸越小对于边界的拟合就越好，但本发明建议初始网格划分尺寸为b+d＝0.01d；对网格节点进行编号并提取几何坐标信息保存。
71.3)提取网格节点坐标信息，并将节点向临近推进一个、两个或者四个节点，生成三
维建模软件所需的坐标格式文件。
72.基于函数关系，还需对网格划分后的网格节点坐标进行处理以生成四边型蜂窝三维结构，鉴于此，对4个具有代表性的节点1，节点2，节点3和节点4进行详细阐述，参考图5和图6。
73.节点1：节点1位于新区域边界线的交点，其坐标点记为(x1,y1)。这时需生成新的节点1-1以满足结构建模要求，节点1-1坐标点记为(x
1-1
,y
1-1
)。该区域伴流分数为w
x,a
，对应的孔厚比为λa。则网格孔径为da，网格壁厚为ba为：
[0074][0075]
则节点1与节点1-1的坐标关系为：
[0076]
x
1-1
＝x1+dxy
1-1
＝y1+dy(dx＝0.5ba，dy＝0.5ba)
[0077]
节点2：节点2位于新区域边界线上的网格节点处，其坐标点记为(x2,y2)。这时需生成新的两个节点2-1和节点2-2以满足结构建模要求，节点2-1坐标点记为(x
2-1
,y
2-1
)，节点2-2坐标点记为(x
2-2
,y
2-2
)。节点2-1、节点2-2与节点2的坐标关系为：
[0078]
x
2-1
＝x2+dx y
2-1
＝y
2-dy
[0079]
x
2-2
＝x2+dx y
2-2
＝y2+dy
[0080]
式中，dx和dy均为0.5ba。
[0081]
节点3：该点位于伴流区域内网格节点处，其坐标点记为(x3,y3)。这时需生成新的四个节点3-1、节点3-2、节点3-3和节点3-4以满足结构建模要求，对应的坐标点分别记为(x
3-1
,y
3-1
)、(x
3-2
,y
3-2
)、(x
3-3
,y
3-3
)、(x
3-4
,y
3-4
)，与节点3的坐标关系分别为：
[0082]
x
3-1
＝x
3-dx y
3-1
＝y
3-dy
[0083]
x
3-2
＝x
3-dx y
3-2
＝y3+dy
[0084]
x
3-3
＝x3+dx y
3-3
＝y3+dy
[0085]
x
3-4
＝x3+dx y
3-4
＝y
3-dy
[0086]
式中，dx和dy均为0.5ba。
[0087]
节点4：该点位于伴流分数为w
x,b
的区域内，但等值边界曲线穿过其所在的网格，其坐标点记为(x4,y4)。这时需生成新的四个节点4-1、节点4-2、节点4-3和节点4-4以满足结构建模要求，对应的坐标点分别记为(x
4-1
,y
4-1
)、(x
4-2
,y
4-2
)、(x
4-3
,y
4-3
)、(x4-4,y
4-4
)。其中节点4-1、4-2与节点4的坐标关系同3-1、3-2与节点3的坐标关系；对于节点4-3和4-4而言，首先判定节点4与等值边界曲线的最短直线距离l与基础网格尺寸(0.01d)的关系：
[0088]
如果l＞0.005d，则节点4-3和4-4与节点4的坐标关系同3-3、3-4与节点3的坐标关系，dx＝dy＝0.5bb；
[0089]
如果l＜0.005d，则节点4-3和4-4与节点4的坐标关系同3-3、3-4与节点3的坐标关系，但dx＝dy＝0.5bc；
[0090]
如果l＝0.005d，则节点4-3和4-4与节点4的坐标关系同3-3、3-4与节点3的坐标关系，但dx＝dy＝(0.5bb+0.5bc)/2。
[0091]
4)在三维建模软件中依次导入节点坐标信息，将坐标点按顺序相连成线，再进行拉伸成面，最后进行面加厚处理。
[0092]
5)基于realizable k-ε湍流模型，应用计算流体力学软件对建好的三维模型进行
数值计算，将计算得到的伴流分布与目标伴流进行对比，如有误差，则细微调整三维建模软件所需的节点坐标，重复步骤(4)～(5)直至精度满足要求。
[0093]
6)采用3d打印伴流模型，快速准确获得低噪声目标伴流场，适用于各种尺度大小的水池、空泡水筒或水槽开展非均匀来流推进器性能试验。
[0094]
如图7所示，为采用本发明实施例制作的伴流模型图。
[0095]
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)采用四边型蜂窝三维结构作为伴流模型的结构，对伴流模型所产生的流场信息进行数值计算分析，将数值计算结果与试验测量值进行对比，矫正计算方法后计算不同尺寸的伴流模型所诱导的流场，建立伴流模型的尺寸与伴流分数大小对应的函数关系；(2)基于船艉目标伴流等值图，提取伴流区域边界和等值线几何坐标信息，以此作为控制伴流分数大小的边界条件，并基于数值网格生成方法，将伴流区域划分成同尺寸四边形网格；(3)提取四边形网格的节点坐标信息，利用步骤(1)得到的函数关系将节点向临近推进一个、两个或者四个节点，生成三维建模软件所需的节点坐标格式文件；(4)在三维建模软件中依次导入节点坐标信息，将坐标点按顺序相连成线，再进行拉伸成面，最后进行面加厚处理；(5)对三维建模软件建好的三维模型进行数值计算，将计算得到的伴流分布与目标伴流进行对比，如有误差，则细微调整三维建模软件所需的节点坐标，重复步骤(4)～(5)，直至得到精度满足要求的伴流模型；(6)采用3d打印技术打印伴流模型，以获得低噪声目标伴流场。2.根据权利要求1所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，建立伴流模型的尺寸与伴流分数大小对应的函数关系如下：w
x
＝2.11-1.02*λ+0.211*λ
2-0.016*λ3其中，λ为四边型蜂窝的网格孔厚比，λ＝d/b，d为网格孔径，b为网格壁厚，b≥0.3mm，1.5≤λ≤6.5。3.根据权利要求2所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，函数关系的限制条件为：b+d的值为0.0075d～0.02d，伴流模型与推进器转子盘面的距离为0.02d～2d，其中，d为推进器转子直径。4.根据权利要求2所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，建立伴流模型的尺寸与伴流分数大小对应的函数关系具体过程为：基于realizable k-ε湍流模型，应用计算流体力学软件对λ＝2.0的伴流模型进行流场计算，与实验结果对比后修正数值计算方法；最后采用修正后的数值计算方法计算不同λ下伴流分数的值，经数据拟合得到λ与w
x
函数关系。5.根据权利要求1所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：将船艉目标伴流等值图放入作图软件中，缩放至实验用大小，描绘出等值边界线，接着提取等值线几何坐标信息，以此作为控制孔厚比的初始区域边界；将初始区域边界向伴流区域内平移0.5mm，构成新的区域边界；然后，采用四边型网格对新区域边界内的伴流区域进行划分，初始网格划分尺寸为b+d＝0.01d；对网格节点进行编号并提取几何坐标信息保存。6.根据权利要求1所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，将节点向临近推进一个、两个或者四个节点的依据为：当节点1位于新区域边界线的交点时，其坐标点记为(x1,y1)，将该节点向临近推进一个
节点，生成新的一个节点1-1，坐标点记为(x
1-1
,y
1-1
)；当节点2位于新区域边界线上的网格节点处，其坐标点记为(x2,y2)，将该节点向临近推进两个节点，生成新的节点2-1和节点2-2，对应的坐标点分别记为(x
2-1
,y
2-1
)、(x
2-2
,y
2-2
)；当节点3位于伴流区域内网格节点处，其坐标点记为(x3,y3)，将该节点向临近推进四个节点，生成新的节点3-1、节点3-2、节点3-3和节点3-4，对应的坐标点分别记为(x
3-1
,y
3-1
)、(x
3-2
,y
3-2
)、(x
3-3
,y
3-3
)、(x
3-4
,y
3-4
)；当节点4位于伴流分数为w
x,b
的区域内，但等值边界曲线穿过其所在的网格，其坐标点记为(x4,y4)，该节点向临近推进四个节点，生成新的节点4-1、节点4-2、节点4-3和节点4-4，对应的坐标点分别记为(x
4-1
,y
4-1
)、(x
4-2
,y
4-2
)、(x
4-3
,y
4-3
)、(x
4-4
,y
4-4
)。7.根据权利要求6所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，节点1-1与节点1的坐标关系为：x
1-1
＝x1+dx y
1-1
＝y1+dy其中，dx＝0.5b
a
，dy＝0.5b
a
，d
a
＝λ
a
b
a
；该区域伴流分数为w
x,a
，对应的孔厚比为λ
a
，则网格孔径为d
a
，网格壁厚为b
a
。8.根据权利要求7所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，节点2-1、节点2-2与节点2的坐标关系分别为：x
2-1
＝x2+dx y
2-1
＝y
2-dyx
2-2
＝x2+dx y
2-2
＝y2+dy式中，dx和dy均为0.5b
a
。9.根据权利要求8所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，节点3-1、节点3-2、节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系分别为：x
3-1
＝x
3-dx y
3-1
＝y
3-dyx
3-2
＝x
3-dxy 3-2
＝y3+dyx
3-3
＝x3+dx y
3-3
＝y3+dyx
3-4
＝x3+dx y
3-4
＝y
3-dy式中，dx和dy均为0.5b
a
。10.根据权利要求9所述的针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，其特征在于，节点4-1、4-2与节点4的坐标关系同节点3-1、3-2与节点3的坐标关系；对于节点4-3和节点4-4，首先判定节点4与等值边界曲线的最短直线距离l与初始网格划分尺寸的关系：如果l＞0.005d，则节点4-3、节点4-4与节点4的坐标关系同节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系，dx＝dy＝0.5b
b
；b
b
为伴流分数为w
x,b
区域的网格壁厚；如果l＜0.005d，则节点4-3、节点4-4与节点4的坐标关系同节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系，但dx＝dy＝0.5b
c
；b
c
为伴流分数为w
x,c
区域的网格壁厚；如果l＝0.005d，则节点4-3、节点4-4与节点4的坐标关系同节点3-3、节点3-4与节点3的坐标关系，但dx＝dy＝(0.5b
b
+0.5b
c
)/2。

技术总结

本发明公开了一种针对非均匀来流推进器性能试验的轴向伴流模拟方法，包括：(1)采用四边型蜂窝三维结构作为伴流模型的结构，建立伴流模型尺寸与伴流分数大小对应的函数关系；(2)基于船艉目标伴流等值图，将伴流区域划分成四边形网格；(3)提取四边形网格的节点坐标信息，利用函数关系将节点向临近推进一个、两个或者四个节点，生成三维建模软件所需的节点坐标格式文件；(4)进行三维建模；(5)对建好的三维模型进行数值计算，并调整网格大小直至得到精度满足要求的伴流模型；(6)采用3D打印技术打印伴流模型。本发明可以快速准确的得到目标伴流场，可适用于各种尺度大小的水池、空泡水筒或水槽开展非均匀来流推进器性能试验。水筒或水槽开展非均匀来流推进器性能试验。水筒或水槽开展非均匀来流推进器性能试验。