船舶与海洋工程毕业论文五完美版

1、毕业段计（论丈丿无关性验证专业船舶与海洋工程学号111320116学生陆程指导教师周军伟题目导管螺旋桨CFD的网格答辩日期2015.0629哈尔滨工业大学木科毕业设计（论文）I摘要本文为了探究导管螺旋桨数值模拟的网格无关性，使用了网格划分软件Pointwise、AutogricE）进行网格制作、流体分析软件CFX进行数值模拟。先对: 维與型的网格无关性进行探究，后观察导管螺旋桨是否符合翼型得到的趋势。首 先，通过三组二维呢型的数值模拟与实验值的对比，验证了本文使用的数值方法 的可靠性；其次，探究了不同最小壁而厚度、网格的结构化和非结构化对谟型网 格无关性的影响：Z后，探究了不同网格增长率、单侧

2、翼面点数以及一种形式的 分块网格对翼型网格无关性的影响；最后，验证最小壁面厚度和单侧翼面点数对 二维翼型的影响规律，在导管螺旋桨上是否可行。关键词：网格无关性；翼型；导管螺旋桨哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）11AbstractTliispaperinordertoexploregridindependenceofductedpropellergridindependence, using Pointwise and Autogrid?, both are grid software, for generating themeslh and using CFX, a fluid analys

3、is software, to simulate flow fields. After the paperexplores the grid independence of two-dimensional airfoil, it observes whether the trend oftlie ducted propeller is in line with the airfoil. First of all, througli the numerical simulation ofthree groups of two-dimensional airfoil with experiment

4、al value contrast, verify thereliability of the numerical method used in this paper; Seconct exploring the miiiiuiuni wallthickness, different grid of stmctiired and unstructured effects on airfoil grid independence;Later, explores the different giid points of giowtli rate, single wing surface, a fo

5、nn of blockgrid effects on airfoil grid independence; Finally, verify the niiiiinium wall tliickiiess andsingle flank surface points on tlie influence law of two-dimensional airfoil, on the sluoudedpropeller is workable.Keywords： giidindependence,airfoih diictecl propeller哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）111目录摘 要.I

6、Abstract.II第1章绪 论.11.1课题背景及研究的目的和意义.11.1.1课题的背景.11.1.2课题的日的及意义.21.2国内外在该方向的研究现状及分析.21.2.1CFD方面研究.21.2.2国内外关于螺旋桨网格划分方面的研丸.31.3本文主要研究内容.5第2章数值方法.62.1流体运动控制方程.62.3离散方法.72.4湍流及常见湍流模型.82.5结构化网格与非结构化网格.102.5.1结构化网格.102.5.2非结构化网格.112.6数值方法验证.122.6.1NACA4412型麓型实验数据.132.6.2不同网格翼型计算结果对比.142.7本章小结.22第3章附面层网格对翼

7、型性能的影响.233.1最小壁面网格厚度对翼型数值模拟的影响.233.2网格的结构化与非结构化对翼型数值模拟的影响.27哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1113.3本章小结.35第4章外部流场网格对翼型性能的影响.364.1改变网格增长率对翼型数值模拟的影响.364.2单侧翼面点数对翼型数值模拟的影响.384.3分区块制作网格的初步研究.42哈尔滨工业大学木科毕业设计（论文）IV4.3.1实现网格方形增长率的方法.424.3.2外流域方正网格前处理.434.3.3数值模拟结果及分析.444.4本章小结.46第5章导管螺旋桨的网格无关性验证.475.1单侧翼面点数对导管螺旋桨数值模拟的影响.4

8、85.2最小壁面网格厚度对导管螺旋桨数值模拟的影响.515.3导管螺旋桨的数值方法验证.535.4本章小结.54结论.55参考文献.56致谢.57哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义1.1.1课题的背景随着经济和社会的发展，中国对于海洋开发的重视程度与H俱增，对于具有 更高效率的船舶的需求也越來越大。而螺旋桨作为船舶推进的动力源，在提高性 能方而也是苗当其冲的。导管螺旋桨的出现，为螺旋桨效率的提高，提供了一种 新的可能。导管螺旋桨及其优势导管螺施桨，亦称导管螺旋桨，结构较简单，将一个圆形套管套在普通螺旋 桨上就制成了导管螺旋桨。与普通螺旋桨相比较，导管螺

9、旋桨的效率高，拖力大。第一，渔轮采用导管螺旋桨后，拖力增加约15 35%。例如，250马力的拖网 渔轮装置固定导管螺旋桨后，拖力增加15%左右；600马力拖网渔轮装置导管螺旋 桨后，拖力增加27-28%,最大系柱拖力增加36 38%根据长江船舶设计院多年來 的实船试验资料统计，拖轮上应用了转动导管装置后，拖力增加25%左右，系柱 拖力可增加50%左右。国外对导管螺旋桨的研究和试验也取得了显苦效果，拖力 最大可增加35%。导管可保证有定向的水流供给螺旋桨，起均整伴流作用，改善 了船舶在风浪中航行的稳定性。第二，导管可抑制船舶的纵摇，起阻尼作用。第三，导管围在螺旋桨的外面起保护作用，螺旋桨不易露出

10、水面产生空吸现 象，并可免受外物碰坏或发生绞网事故。导管螺旋桨CFD方面应用过去在螺旋桨的性能分析方面，多采用了图谱分析的方法并辅以螺旋桨的敞 水试验，这样的方法费时费力，致使科研周期较长，不利于社会生产。而计算流 体力学（CFD）的出现解决了人们的困扰。由于数值模拟独特的成本低、周期短、 能获得完整数据的优点，能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态。CFD技 术广泛运用于流体数值模拟，其良好的适应性，较高的准确性，逐渐成为流体动 力学研究的重要工具，且其应用领域也逐渐扩大。通过对导管螺旋桨进行三维定 常的CFD计算分析，能够较准确预报导管螺旋桨的水动力性能，并可根据计算结 果对导管螺旋桨进

11、行改进或优化团。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2-1.1.2课题的目的及意义基于数值计算相较于敞水试验的优势，在今后的科研、生产工作中数值计算 将成为主流研究方法。而在数值就算中网格划分有着重要的基础性作用，而网格 划分的好坏程度，乂关乎着数值计算的计算结果是否能收敛、收敛的效率是否高 效、计算是否快速和计算的精度是否能够达到科研或生产设计的要求等诸多关键 性的问题。而在相同的差分格式下，就算误差很小，也会由于网格不同的疏密程 度造成计算结果的不同，其至会造成与实验结果相差过大的现象。所以对于网格 划分、验证的研究是相当重要的基础性工作。尤其对于普通商业软件，使用者并 不知道软件内核的核心

12、算法，网格无关性验证显得更为重要。1.2国内外在该方向的研究现状及分析1.2.1CFD方面研究CFD技术的发展概况自十八世纪以来，各种形式控制方程陆续被创立，但绝大多数无解析解，只 可求得近似解，这为CFD的出现提供了先决条件。H 20世纪60年代以來CFD逐 渐发展壮大，20世纪70年代末计算机技术的飞速发展和计算方法的突破促进了CFD飞速发展。计算流体动力学，即CFD,就是在计算机上数值求解流体与气体动力基本方 程的学科，是通过数值求解各种简化或非简化的流体动力学基本方程，获取各种 条件下流动的数据和作用在绕流物体上的力、力矩、流动图像和热量等。CFD技术历程主要可以分为三段：初始阶段（1

13、965年-1975年），解决计算流体力学中的一系列基本问题是这 个时期的主旋律，如模型方程、数值方法、网格划分、程序编写和实现等等。而 且将数值模拟与大量实验结果、精确解进行对比，來探究数值模拟的可靠性、M确性和彫响规律。为了解决具有复杂儿何区域内的流动问题，人们开始研究网格 变化问题，例如Thompson, Tliams和Mastin提出了采用微分方程來根据流动区域 的形状生成实体坐标系，从而使就算流体力学对不规则的儿何流动区域有了较强 的适应性， 逐渐延伸成为CFD技术中的必不可少的一个领域“网格形成技术”。工业应用阶段（19751984年）数值预测、原理、方法的不断完善，将如何使 工业界

14、认可数值模拟问题变成了这个阶段的主要矛盾。CFD技术在工业运用的可 靠性、可行性和如何推广问题，是这个时期的主旋律。与此同时，CFD技术也在 一步一步的向工业领域中以流体为皋础的部分漫延。但是CFD技术的专业性、不 可互换性、自制自用的兴致也阻碍了CFD技术的推广。 在1981年， 他们建立了CHAM公司把计算软件（PHOMMICS-凤凰）哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3包装后正式投入开放的市场，开创了FD软件商用化的先河。基于软件本身的缺陷和用户体验度差等问题，该软件没有 广泛普及开來。随着改革开放解开了科研院所和高校的思维束缚，他们也开始研 究CFD技术。快速发展阶段（1984年今天）

15、，CFD在工程应用领域取得了丰硕的成果， 也得到了学术界相应的认可。同时CHAM公司在发达国家的:业界进行了大量的 推广，Patankar也在美国工程师协会的协助下，举行了大范围的软件培训，推广了CFD软件，虽然工业界没有表现出太多的热情，但是对于CFD软件的推广起到了 明显的效用。在1985年的第四届国际计算流体力学会议上,Spalding做的关于CFD在工程设计中应用的专题性报告中将工程中常见的流动、 传热、 化学反应等过程 分为十大类型， 并指出CFD都有能力加以解决。且点明之所以耒能普遍性运用CFD在工业生产中的原因是由于软件通用性差、使用困难。白此之后如何搭建CFDM础研究与工程应用

16、之间的桥梁问题成为了关键性问题。而计算机图形学、计算机 微机技术的快速进步乂促使着CFD的前后处理软件得到了迅速的发展。CFD软件品牌比较出名的CFD商用 软件有FLUENT. CFX、SHIPFLOW、STAR-CD、PHOENICSo而其中的CFX和PHOENICS是英国苦名的CFD商用软件包，在航 空工业、化工等行业领域应用广泛，然而在船舶工业中应用最为广泛的是FLUENT,因为其考虑了白由表面的作用，这是其他软件不具备的优势之一。本文中将使用CFX软件作为研究对象。1.2.2国内外关于螺旋桨网格划分方面的研究徐鹏和李玉胜在基于CFD技术导管螺旋桨的一种网格划分方法卩】一文中， 利用UG

17、及Gambit建立计算模型，然后在FLUENT软件中利用滑移网格 （Movinginesh）的方法计算导管螺旋桨在敞水状态下推力以及转矩。并采用基于 速度势的低阶而元法计算导管桨的定常水动力性能，采用双曲面元以消除面元间 的缝隙，分别计算螺旋桨和导管，二者之间的影响通过迭代方法加以考虑。之后 应用该方法计算JD系列简易导管桨的水动力性能， 试验结果和计算结果吻合良好，并对影响导管桨性能的几个参数进行了变尺度研究。基于雷诺平均方程和非结构 网格旋转/静止滑移面技术，开展了导管与螺旋桨动/静部件干扰的非定常流及性能 预测数值模拟方法研究。提出了静止与旋转域的多块网格布局策略及转/静滑移面 技术，研

18、究了导管壁面与螺旋桨桨梢间隙的网格布局形式，有效解决了螺旋桨旋哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-4-转流及螺旋桨与导管干扰计算问题。最后得出：1）本文中的方法适合模拟导管螺 旋桨等桨与壁面较近的模型，例如侧向推进器。2）从计算中得到的结果中可以得 出，导管螺旋桨的计算比较复杂，特别是叶梢的导管中间，需要进行精细的处理，才可以得到较为满意的结果。3）螺旋桨的主要参数侧斜和纵倾对其水动力性能影 响较小，但是可以改善与船体的干扰，以达到降噪的目的等结论。蒋志超和王国强在导管面元网格划分和影响系数计算的研究同一文中，在 导管处采用面元法，螺旋桨处采用升力面方法。在导管网格方面，采用周向均匀 划分；弦

19、向网格的节点，可以按半均分布、半余弦分布、余弦分布、分段线性分 布等儿种不同的网格分布函数來求得。网格形式则采用直网格和螺旋网格两种如 图所示。经作者的分组计算得到的结论有：采用何种网格分格数进行求解，只 要网格数达到一定的数目后，其计算结果受网格数影响不是很大。对于采用直网 格形式來说，完全高斯积分的近似公式來进行计算，如果高斯计算结点取得过少，则计算结果就有相当大的误差：采用完全高斯积分的近似计算公式和近场采用精 确公式、远场采用高斯积分近似计算的算法所得的结果吻合得相当理想，而完全 精确的计算结果和其他两种方法的计算结果之间就有一定的差距。对于采用螺旋 网格形式來说，无论采用哪种影响系数

20、计算方法來求解，当螺旋线的螺距角越小 时，所得的计算结果和大螺距角相比，稍有偏差：与直网格相比，采用完全高斯 积分的近似计算公式或完全精确公式所得的结果比较吻合，而近场采用精确公式、远场采用高斯积分近似计算的算法所求得的结果和它们之间就有一定的偏移。9符 直 网 格 划 分 导 管 螺 旋 网 格 划 分 示 盘 图图 导 管 的 网 格 形 式 示 意 图司朝善、 姚惠之和张楠在基于结构化网格的导管螺旋桨敞水性能计算和艇 桨干扰分析一文中，全域采用结构化网格，以导管螺旋桨为对象，建立了计算 导管螺旋桨推力、扭矩的计算方法，获取了导管螺旋桨流场的详细信息。采用 湍流模型。在数值模拟中，利用滑移

21、网格技术模拟螺旋桨旋转运动，将整个流场 域划分为静上域和滑移域，均采用结构化网格。经过一系列实验证明，计算的导 管螺旋桨敞水性能与实验吻合较好，对导管桨推哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5力的计算误差较小，扭矩的计算 误差较大。在Initial wash profiles fiom a sliip propeller using CFD method中，作者使 用非结构化网格，且为四面体网格。文中分别试用了不同数目密度的网格來校验 了网格数目与验算结果的无关性。 用了77360个到99243个最后是242121个进行 分析， 最终选择99243个网格为其分析所用的数目，因为当从99243个细

22、分到242121个的时候，计算结果仅仅相差1%,对实验结果來说可以是微不足道的。1.3本文主要研究内容本课题通过Pointwise、Autogiid5 ANSYS CFX等软件，以一种翼型和一种 导管螺旋桨为例來探究网格无关性。分別对其进行数值模拟实验，在不改变边界 条件、湍流模型、來流速度等参量的情况下，比对改变不同参星后的数值计算结 果，归纳、总结出不同参量的网格划分对最后数值计算结果的影响。从而为今后 的在科研工作中导管螺旋桨的网格无关性验证问题提供些许参考。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6第2章数值方法由于CFD技术在30年的时间里快速发展、逐步完善，已经形成庞大的学术 体系，称为

23、当今流体动力学中不可分割的一部分。所以本文中对CFD技术的基础 理论仅初步介绍本文所涉及的CFD基础理论。2.1流体运动控制方程在连续介质条件假设下，粘性不可压缩流体流动的方程包括质量守恒方程（即 连续性方程）和动量守恒方程（即N S方程）。质量守恒方程质星守恒方程在流体力学中的表现形式是连续性方程，所谓质量守恒定律， 就是流体在连续流动过程中，质量既不能凭空产生，也不能消亡。连续性方程就 是在反应这一个客观定律。为描述该定律，在流场中取一个封闭体称为控制体，控制体的表面称为控制 而。在单位时间内，流体从控制体上某个控制面流入控制体，同时，也会从另外 一个控制而流出控制体。在这段时间内，流入的

24、流体与流出的流体之差即为控制 体的质屋改变屋。根据流体流动的连续性导出质屋守恒定律的积分方程为：j |pdxdydz4-1 p v ndA= 0 N Vol*A在2-1式中：左边第一项的积分域为控制体;第二项的积分域为控制而。因此， 对控制体的积分表示控制体V内部的质量改变量：对控制而的积分表示通过控制 体上各个控制表面上的流体净通屋。根据高斯公式，在直角坐标系下将式2 1化为 微分形式：空+U他+V如2+W込=0dt dx.dydz.该连续性方程的适用范闱不受流体限制，无论是可床缩或不可压缩流体，孰 性或非勃性流体，定常或非定常流动都适用。但本文中研究的是定常流动的流体，密度不随时间的变化而

25、变化，则2 2是可 变为：0(E) I 0() | 0(pw) _ x y z而由于水具有不可圧缩性，所以密度为一个定值，则2 3式可变为:(2-1)(2-2)(2-3)哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)动量守恒方程流体在运动时，除遵循质量守恒定律外，还满足动最守恒定律，该定律可描述为：任意给定一个流体系统，流体中的动最(即冲最)随时间的变化率，该变化率等于外界作用于该流体系统上的外力总和。将该定律转换为数学表达式即为动量守恒方程，也称为运动方程或纳维斯托克斯方程。其微分形式表达如下:d2u d2u didxr df dzrOhl护ud2udxr+dy2 +Ozrdw0(u呵O(vw)O(ww

26、)p +-+-+-cldx. dy dz动量守恒方程能比较准确的研究流体的实际运动，求解该方程的过程即为解析粘性流体的流动特性过程。虽然在求解过程中可以加上适当的边界条件和初始条件简化求解，但是由于方程中存在非线性项，导致求解极为困难。关于纳维斯 托克斯方程是否一定有解析解的问题，一直是数学界的研究的巨大难题。纳维斯 托克斯方程只有某些及特殊的算例可以求解出解析解卩】。2.3离散方法有限元法、有限差分法、有限体积法，三种方法都是将连续的方程离散化求 解的方法，在计算流体动力学中具有举足轻重的地位。而CFX软件是基于有限元 的有限体积法。有限元法有限元法(finite element metli

27、od)是一种高效能、常用的数值计算方法。科学 计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到， 使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。有限 元法的主要原理在于：将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元 内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未 知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数來表达。从而使一个连续的无限 1由度问题变成离散的有限I由度问题。从有限元的基本方法派生出來的方法很 多，则称为三维单元。如有限条法、边界元法、杂交元法、非协调元法和拟协调 元法等，用以解决特殊的问题。_ 即+Ou宛d2u

28、严dx2dy2dzrdu dv dw+=0dx. dy dz(2-4)型+迥+|_ ctdx.dy住+型*型2+OKdy(2-5)= - + /dx.6哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8-有限差分法有限差分法是将求解域划分为差分网格（最简单的为矩形网格），用有限个 网格节点（即离散点）代替连续的求解域，将偏微分方程中的所有微分项用相应 的差商代替，从而将偏微分方程转化为代数形式的差分方程，得到含有离散点上 有限个未知数的差分方程组。求出的该差分方程组（即代数方程组）的解，就作 为偏微分方程定解问题的数值近似解，也就是得到了网格上流动变星的数值解。 它是一种直接将偏微分问题变为代数问题的近似数

29、值解法。有限体积法有限体积法的基本思路：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使 每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便 得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变星的数值。为了求出控制体 积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值的分段的分布剖面。有限体积法可视作有限单元法利有限差分法的中间物。有限单元法必须假定 值在网格点之间的变化规律（既插值函数），并将其作为近似解。有限差分法只 考虑网格点上的数值而不考虑值在网格点之间如何变化。有限体积法只寻求的结 点值，这与有限差分法相类似：但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假 定值在网格点之间

30、的分布，这乂与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函 数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需 要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。2.4湍流及常见湍流模型湍流是螺旋桨周围最常见的流动形式，要解决流体计算的问题就先得解决湍 流的问题。湍流的一个很重要的特点是物理量的脉动，为了描述湍流运动的强弱， 定义湍流脉动速度与平均速度的比值为湍流强度。如果在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态三维N S方程，此时湍流问题不需引 入任何模型，但由于计算机的容量和速度的限制，这种方法还难以应用在实际的 匸程计算上。一般匸程上采用的是由雷诺时均方程出发的模拟方法，基于某些

31、假 设，用低阶关联项或时均最表达雷诺时均方程或湍流特征量的输运方程中高阶的 未知关联项，以使雷诺时均方程封闭冈。在本文中一直使用的是k-e湍流模型，下文中将对k-勿湍流模型进行介绍。 二方程湍流模型k-少模型k-q二方程湍流模式叨在湍流动能输运方程的基础上引入了湍流耗散率的输 运方程，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9-而k-tu一方程模型则在湍流动能输动方程的基础上弓I入湍流脉动频率 e哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)的输运方程，以下为k-二方程模型的标准形式:哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)込业+辿+逊=2dt dx dy dz dx厂crkOx dy蓄(2-6)dzR一p/fka)

32、业+理+叱+沁=2dt dx dy dz dx厂(山、&3(z+) +6 就ddiz+ (/z+)+ crkdyakdy(2-7)pkCD式(2-8)的湍流动能生成项Pk是由式(242)就算得到的，模型中的推荐系 数的取值见表2 1：(2-8)5aP0 2 0205/90 0750 09二方程湍流模型&-模型简介k-湍流模型刃。以下零方程模型计算时以涡旋粘性系数丛和混合长度1将雷 诺应力和当地时均速度梯度联系起來，而忽略了对流和扩散效应。为了弥补混合 长度假设的局限性，根据时均连续方程和需诺应力方程，建立了湍流动能k的输 运方程，并在湍流动能输运方程基础上引入湍流耗散率 w 的

33、输运方程， 方程湍流模型k-o由此得到二ciai Opkv 0pkw_d dt dx. dydz dx.dp dpax dp&i epSN _ ddx. dy dz dx.bg &z(2-9)dO(2-10)表 2 1 k e 湍流模型常数6 CK哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10式（2-9）和（2 10）中的人为湍流动能生成项，由式（2 12）得到，模型中的推荐系数的取値见表2 2：表2； k-w湍流模型常数表C “6 6qC.0 091 001.301 421 922.5结构化网格与非结构化网格2.5.1结构化网格结构化网格（如图2-1）:任意网格点（顶点、节点）都是由

34、索引值i, j, k和相应的笛卡尔坐标兀,於，y】,*和Zu独立确定的。这些网格单元在二维平面内 是四边形的，在三维平面内是人棱柱的。如果这个网格是贴体表面网格，我们也 就称它为曲线网格。结构化网格的主要优势来源于i, j，k索引值能表示一组线性地址空间一一这 个空间也被称为求解域，因为它直接对应着流动变最在计算机内存中是如何储存。 这种特质允许计算机能够方便快捷的进入一个网格单元的临近单元，仅仅是通过 向或从相应索引值增加或减少一个整数值的方式完成（例如：（i+i） , （k-3）等 等。一一请参照图24（a） o我们可以想象，由于这个特质对于梯度、流量，当然 还有边界条件求解的计算得到巨大

35、的简化。对于隐形格式的带状通量雅可比矩阵 的实现也是同样的（由于有序排列）。但是结构化网格也有一个缺陷。这就是对 生成复杂区域的结构化网格存困难。正如图2 1所展现的，解决问题的一种可能的 方法是将物理空间划分为若干区域，这样将会使网格物而的配合更加紧密。我们 也称其为多块结构化网格。这种方法增加了网格划分的灵活度，如果一个网格点 位于网格区块划分的分界面上，它就可以在两侧网格生成分别被单独生成，即网 格线是可以不连贯穿过区块边界的（就像图2-2中H内部）。那些仅仅位于缺口 界面一侧的网格点被叫做悬点。这种方法的优点是很明显的一一可以按照每块的 雯求分别选择网格线的数量。挺高灵活性的代价是增加

36、了悬点保守的计算的负担。 多块结构化网格也为基于一台并行计算机通过区域分解方法來实现流场求解提供(2-11)(2-12)哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-11了一些尤为有趣的可能性。然而，在复杂区域的网格生成仍然需要很长的时间（儿 周或者儿个月）。2.5.2非结构化网格非结构化网格：网格单元和网格点没有特定的排列顺序，也就是，相邻的单 元或网格节点不能被顺序编号（如图2-l（b）,6号网格临近119号网格）。在过去, 这些网格单元在二维半面内是三角形的，在三维平面内是四面体的。现在，非结 构网格通常是在二维半面内由四边形和三角形混合构成，在三维平面内由六面体、 四面体、棱柱和金字塔形混合构成

37、的，为的是尽可能精确的拟合边界层。因此我 们称这种网格为杂合或混合网格。图结构化与非结构化示意图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-12-非结构化网格为生成复杂儿何表面的网格提供了巨大的灵活性。非结构化网 格的主要优势基于其这样一个特质，原则上来讲在独立的复杂网格域内可以自动 生成三角形（2维）或四面体（3维）网格。但是在实际操作中，当然还需要适当 地设置一些参数，以获得更高质量的网格。此外，为了制作出更为精准的边界层， 建议采用二维矩形和三维棱柱或八面体來贴合实体物而。混合网格的另一个益处 是能减少网格单元、线、面，可能还有点的数目。但是，有一点要着重注意的是 混和网格对于儿何要求极为苛刻的

38、案例有着非凡的意义。然而，构造非结构网格 所需的时间，在复杂结构生成混合网格仍然显苦低于多块结构化网格所需的时间。 在当今时代，流体模拟的几何逼真度一直在迅速增加，快速生成网格的能力和具 有最为简便的用户设置体验变得越來越重要。在这个工业化臻完善的社会里这 点更是如此。非结构化网格的另一大优势能以相对1然的且无缝贴合的方式为相 关联网格的粗化和细化问题提出一个解决方案。而说到非结构化方法的缺点，其 中之一就是在流场解算器内部需要采用极为复朵的数据结构。这些数据结构用间 接寻址法进行工作，这将或多或少导致计算效率的下降（当然这依赖于电脑硬件 的好坏）。而且非结构化方案的内存需求相对于结构化方案一

39、般更高一些。但是 尽管有着诸多的问题，非机构化方案在较短运转时间内处理复杂流域的能力仍然 要重要的多卩叭2.6数值方法验证由于导管螺旋桨的复杂性，本文将主要进行二维翼型进行研究，之后将翼型 结论应用于导管螺旋桨。由于数值模拟终究不是实际实验，数值模拟前比较CFD数值模拟的结果与实 验结果之间的差异（即对数值方法进行验证）成为了必不可少的程序。要观察结 果差值是否在实验误差的范畴之内，升力曲线、阻力曲线与实验结果的拟合是否 良好。而为达到此目在下文中我将选取三种网格进行三组试验：表2-3三组实验不同参数设置表组号单侧翼面点数最小壁面网格厚度网格增长率12000 11.05n200051 2035

40、000 11.20如表2 3所示，以这三组数据为基础，进行对NACA4412型翼型的CFD数值 结果与实验结果进行拟合。翼型点数是翼型单测的点数：最小壁面网格厚度是贴 附在翼型表面的第一层网格垂直于翼面方向的厚度；网格增长率是从物面开始生 成网格后一层网格相对于前一层网格的比率值。下文中有EXP代表实验，用CFD代表数值结果。哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)13在下文中我将使用NACA4412型翼型作为研究对象，在网格制作过程中我将 统一将二位呢型扩展成三维时，呢展长度设置为03111,结合翼型弦长为0.1 in ,我们得到翼型半面面积为0.09m2,來流速度统一为lm/s。2.6.1 NA

41、CA4412型翼型实验数据NACA4412是美国国家航空咨询委员会(NACA)开发的一系列嵬型中的一种 炭型。NACA4412型翼型的代码含义为嵬型的相对弯度为4%、最大弯度位置位于0.4倍弦长处、风型的相对厚度为12%。NACA4412型呢型曲线如图2 3所示，而NACA4412型翼型的实验数据如表2 4、表2 5和图2 4、图2 5。图2-3 NACA4412型翼型曲线图表2-4 NACA1412型翼型的攻角与升力系数实验数据a-16 11-1404-1202-10 06-8.04-608-4 06-2 04-0 122.01G-0 658-0 754-0 776-0 639-0 437-

42、0.224-0 0200.1960 4010613a3 985.837.909 9111 9113 9016 02180420 06Ci0 8481 0201 1901.3401 4661 5091 4071 3331 270表2-5 NACA1412型翼型的C.-G实验数据a-0 651-0 593-0493-0 393-0 295-0 194-0 0930.0000 1040 208Ci0011001100100.0090 0080 0080 0070 0070 0070 007a0 3070 4080 5090.6240 7020 8030 8720.9501 0071 056Ct0 0

43、070 0070 0070.0070.0070 0070 0070.0080.0080 009a1 1021 1331 1681.2341 2661 2991 3461 3881 421Ci0010001100120.014001400150 0170.0180 020哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）14图2 5 NACA4412型翼型CD CL曲线262不同网格翼型计算结果对比翼面点数为200、最小壁面网格厚度为0.1、网格增长率为1.05第一组数值模拟选取的网格的数据（其他数据如开头时设定）：单侧翼面点数为200、最小壁而网格厚度为0.1、网格增长率为1.05。如图2 6所示。使用了Po

44、intwise软件只做了该组网格，网格全部为结构化网格。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-15（a）整个流域图（b）翼面附近网格图图56数值模拟网格图流域网格制作完成后将网格导入ANSYS CFX软件中进行前处理。如图2-7o图2-7CFX前处理过程图片哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）16之后将设置好的文件导入CFX-Post进行后处理得到的升力、阻力值。得到如 表2-6所示便是数值模拟升阻力系数汇总表。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-17表2 6数值模拟升阻力系数汇总表a升力值阻力值GCDa升力值阻力值CiC-12-3.50330 2200-0.77850 0489205 78200

45、77731.28490 1727-102.88830 1555-0 64190 03465 38231 07301.19610.23848-2 07820 1238-0 46180 0275245 11911 42891 13760 3175-6-1 19040 1061-0 26450 0236265 08601 77781 130203951-4-0.26430 0968-0 058700215285.17232.12491.1494047220 67920 09340.15090 0207305 30622 48421 17910 552101 62660 09430.361500210

46、325 46152.85911.21370 63542.56520 09920.57000 0220345 62003 24891.24890722043 47620 10790.77250 0240365 77123 65371 28250 811964 34700 12130.96600 0270385 91254 06041 31390 902385 14450 14111.14320 0314406.03244 48411.34050 9965105 83010 17061.29560 0379426 13384 90761 36311 0906126 34050 21511.4090

47、0 0478446 20845 34581 37961 1879146 59080 28501.46460 0633466 25635 78781.39031.2862166 51080 39531.44680 0878486 27646 22631 39481 3836186 17490 55851.37220 1241506 26626 67121 39251 4825式中：5,CD一升力系数或阻力系数；v一来流速度；S-翼面平面面积：根据公式2 13将表2 4中的升力与阻力值无量纲化。在表2 6中，每一个数据皆是网格相同，CFX计算设置仅在來流方向不同， 流速都是一米每秒，计算得到的数值

48、模拟结果。在图2 8中，将数值模拟的升力系数数据曲线与实验数据曲线相拟合，得到较 为不错的拟合结果，说明CFX在模拟二维翼型升力的时候能得到比较接近实际的 数值，可以放心使用数值模拟。CCD=Fv2S(2-13)哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-18-图2 8数值模拟结果与实验数据*CL曲线但从图2 9中，我们可以看出阻力曲线的拟合并不如人意，与实验值的差距相 差较大。图2 9显示的是阻力系数随升力系数的变化曲线，可以从曲线图屮看出数 值模拟值与实验数据相差两倍以上，说明数值模拟在阻力方面模拟不能达到我们 要求的精度。图59数值模拟结果与实验数据CD CL曲线阻力系数的拟合误差较大是一个一直

49、存在的问题。在Drag prediction algorithms forNaxder-Stokes solutions about airfoils一文屮提到：在用N S方程求 解多段翼型流场后计算阻力时，即使是在小迎角下的附体流动，且数值模拟的物 面床力和摩擦力与实验数据吻合很好，但用物面圧力和摩擦力分布积分求得的阻 力却偏肉实验值超过100%11o翼型阻力相较偏差过大的原因还在于真型阻力值较 小，很小的误差就会造成与实际值大的百分比偏差。哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)19在螺旋桨的受力中，螺旋桨的推力和转矩主要都是有叶片叶元体的升力分量 构成，叶元体的阻力值相较其升力值很小，不是主要

50、构成部分。故对翼型阻力偏 差较大问题的研究意义较小，所以本文在这三组模拟之后将不再对翼型阻力系数 的偏差进行讨论。翼面点数为200、最小壁面网格厚度为0.5、网格增长率为1.20第二组数值模拟选取的网格的数採(其他数拐如开头时设定)：单侧翼而点 数为200、最小壁面网格厚度为0.5、网格增长率为1.20o图2 10是该组数据所用 网格截图。基于第一组数据的数值模拟结果，我们可以将计算攻角取值范围改为-12.-10. 9、 6、 3、0、3、6、9、12。使用这十组数据进行拟合。设置过程步骤与第一组 相似，将不再进行赘述。得到的结果如表2 7所示。根据式2 13,计算出升力系数、阻力系数。(a)

51、网格整体(b)翼面附近网格图2 10数值模拟网格图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）农2-7数值模拟升阻力系数汇总农a升力值阻力值CiCJa升力值阻力值Cic-12-5.46871 2521-0.36460.083506 26790.18710.41790.0125-10-6 09880 8716-040660058151095040 204907300137-9-6 6480 548-0 44320 0365615.2641025171 017600168-6-3 01920 2496-0.20130.0166918.81620.36231.25440.0242r1.53230 19480

52、10220 0131220.2610.66491.35070.0443在表2 7中，每一个数据皆是网格相同，CFX计算设置尽在來流方向，不同 得到的数值模拟结果。在图2 11中，将数值模拟的升力系数数据曲线与实验数据 曲线相再次拟合，在9至9间拟合比较不错。而在12度至9度之间和12度附近 曲线拟合相较较差。根据经验可知，在这两个区域内，螺旋桨发生边界层分离情况较大，需耍模 拟的区域将会扩大，由于第一组数据网格增长率较低，故在螺旋桨流域附近方格 密度相较于其他网格较大，可以更好地模拟边界层流域网格。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-20-从图2 12中，我们可以看出阻力曲线的拟合依旧不如人意

53、，与实验值的差距 相差较大。图2 11显示的是阻力系数随升力系数的变化曲线，可以从曲线图中看 出数值模拟值与实验数据相差依旧两倍以上，而且在12度至9度之间和12度相 应的升力系数区域，误差明显加大，与图2 8呈现同样的现象。翼面点数为500、最小壁面网格厚度为0.1、网格增长率为1.20第三组数值模拟选取的网格的数据（其他数据如开头时设定）：单侧翼面点 数为500、最小壁面网格厚度为0.1、网格增长率为1.20o图2 13是该组数据所用 网格截图。我们依旧将将计算攻角取值范围改为12、-10. 9、 6、 3、0、3、6、9、12。使用这十组数据进行拟合。图数值模拟结果与实验数据CD CL曲

54、线何哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-21-农2-8数值模拟升阻力系数汇总农a升力值阻力值CiGa升力值阻力值Cic-12-4.73121 5512-0.31540.103405.23320.30800.34890.0205-10-9.206505183-061380 034659 73730.33730 64920 0225-9-7 94500 4496-0.52970 030061401210 3948093410 0263-6-3.71250 3454-0.24750 0230917.86340.49581.19090.0331r0 78750 30770 05250 02051220

55、81230.67561.38750 0450根据式243,计算出升力系数G、阻力系数G。在表2 8中，每一个数据皆是网格相同，CFX计算设置仅在來流方向有所区 别，得到的数值模拟结果。在图2 13屮，将数值模拟的升力系数数据曲线与实验 数据曲线相再次拟合，拟合的结果还在允许的范闱内，但明显不如前两种。依旧 出现了在边界层分离的攻角附近有较大的偏差的现象。图2 14数值模拟结果与实验数据CD CL曲线哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）如图2 15和图2 16是将三组数值模拟的升力系数随攻角变化的曲线相比较图 和阻力系数随升力系数变化的曲线相比较图。2.7本章小结从试验结果可以看出，攻角角度在9至

56、9 Z间内，数值模拟结果与实验数据 拟合较好，网格密度要求不高，在这段区域之外的由于边界层分离等问题，致使 需要的较密集网格范I制加大。总体来说，数值模拟在可接收的范畴内还是可以很 好地模拟流场状况的。在之后的章节里，对每中呢型网格在导入CTX进行计算时，仅选取0。、8。、10。 三个攻角进行计算。哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)-23-第3章附面层网格对翼型性能的影响基于边界层理论，流体在物体表面流动的时候在靠近物体表面的地方存在一 个速度梯度很大的一个薄层，在此薄层对于流体性能的影响较大，需要用着重模 拟。在Pointwise软件内，对于二维翼型来说，影响其边界层模拟的参数主要为网 格的

57、结构化与非结构化设置和最小壁面网格厚度设置。本章将着重对这两种变星 进行研究探讨。3.1最小壁面网格厚度对翼型数值模拟的影响本文使用的NACA4412型翼型弦长为100,在导入CFX运算时， 将导入单位 设置为mm。根据经验网格最小壁面网格厚度一般选取翼型弦长的10一31()7,在 变量选取过程中将选取0.010、0.025、0.040、0.05、0.065、0.080、0.100、0.250、0.500、1.000、2.000,一共11个插值点，对于其他的设置统一为翼面点数为200、 最小壁面网格厚度为0.5、网格增长率为1.20、翼展长度300mm、来流速度为1 m/s。 并且对每一种网格

58、选取三个攻角进行计算，分別为0。、8。、10。据使用经验得知0。为 无攻角状态；8。为最常用攻角状态；10。为边界层分离时的攻角。图3 1不同最小壁面层厚度网格选例哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-24-表3不同故小壁面网格厚度卜0。、8。、10。的升力系数最小壁面厚度a = 0a = 8a = 1000100 36851 12641.26550 0250 36561 11901 26230 0400 36311 11591.26190 0500 36071 11221 26010 0650 35631 10981 26000 0800 35391 10981 26190 1000 3535

59、1 11171.26540.2500 38991 16451 31690.500041781 18411 31161 0000 44001 16641 20822 0000 44981 11031.2320表3 1是维持网格增长率、单侧翼面点数不变，在0。、8。、10。攻角下，升力 系数随最小壁面层增大而变化的表格。依照攻角角度不同，分别绘制升力系数随 最小壁而厚度的增加而变化的曲线图，得到图3 2为0。、图3 38为度、图3 4为IO。升力系数曲线0.500.480.460.440.420.40038036034哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-25-0320.30最小壁面层图3二0。攻角

60、卜升力系数随最小壁面层厚度变化曲线0.000.501.001.502.00哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-26-升力系数曲线8度1.061.041.02a1.00 I-10.000.501.001.502.00最小壁面层图3 3 8。攻角下升力系数随最小壁而层厚度变化曲线升力系数曲线10度最小壁面层图34 10。攻角卜升力系数随最小壁面层厚度变化曲线哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）-27-从图3-5中，我们可以得出在10。和12。时会发生明显的边界层分离，9。并没 发现有明显的边界层分离现象。而CFX后处理时，可量得10。的边界层分离区域K度占弦长的10.8%、12。的边界层分离区域长度占弦长的21.0%。可明显看出