一種適用于魚(yú)雷變舵角的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理方法

盧 蕊, 譚 坤, 蔡衛(wèi)軍

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一種適用于魚(yú)雷變舵角的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理方法

盧 蕊, 譚 坤, 蔡衛(wèi)軍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對(duì)魚(yú)雷變舵角工況計(jì)算流體力學(xué)(CFD)流場(chǎng)計(jì)算中網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié), 以“十”字形全動(dòng)舵、“十”字形翼端舵兩類(lèi)鰭/舵布局為對(duì)象, 提出了一種快捷高效的多結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理方法。結(jié)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有利于對(duì)近壁面網(wǎng)格精細(xì)控制、保證其求解精度高的特點(diǎn), 采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分思路, 把鰭/舵局部流場(chǎng)區(qū)域從全雷整體域中分離出來(lái), 形成多塊計(jì)算域, 在各自獨(dú)立坐標(biāo)系下劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 通過(guò)多塊耦合方法形成全流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格。減小了網(wǎng)格劃分工作難度, 避免了重復(fù)性, 提高了設(shè)計(jì)計(jì)算效率和精度。經(jīng)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證, 本文方法有效可行, 可推廣適用于繞定軸旋轉(zhuǎn)等局部小范圍變化的幾何構(gòu)型。

魚(yú)雷; 全動(dòng)舵; 翼端舵; 多結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

0 引言

隨著計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dy- namics, CFD)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 通過(guò)求解全3D粘性流動(dòng)的控制方程——雷諾平均NAVIER-STOKES方程的方法, 模擬水中兵器周?chē)?xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu), 預(yù)測(cè)和改進(jìn)魚(yú)雷的水動(dòng)力性能, 已成為一種不可缺少的重要研究方法。網(wǎng)格劃分技術(shù)是CFD技術(shù)中最為耗時(shí)的環(huán)節(jié), 也是直接影響數(shù)值模擬精度和效率的關(guān)鍵因素[1]。網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類(lèi)型。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適用于處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu), 但網(wǎng)格數(shù)量多, 對(duì)計(jì)算硬件資源要求高, 近壁面附近的網(wǎng)格畸變較大, 網(wǎng)格質(zhì)量較差, 難以保證計(jì)算精度; 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和前者相比數(shù)量少, 單元變形特性好, 可以很好地控制流向性分布以及邊界層方向的正交性, 具有其他網(wǎng)格無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[2]。

新型流體動(dòng)力布局設(shè)計(jì)中, 需要針對(duì)不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行大量變攻角、變舵角狀態(tài)計(jì)算, 對(duì)計(jì)算效率提出比以往更高的要求。另一方面, 魚(yú)雷尾部構(gòu)型復(fù)雜, 魚(yú)雷航行過(guò)程中的升力和力矩主要由鰭/舵來(lái)承擔(dān), 在進(jìn)行魚(yú)雷流體動(dòng)力性能計(jì)算中, 需要能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出不同航行姿態(tài)下全雷及鰭/舵的受力情況, 對(duì)計(jì)算精度提出較高要求。而目前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的魚(yú)雷流體動(dòng)力性能計(jì)算基本采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格[3], 每次變化舵角姿態(tài)需要重新生成網(wǎng)格, 從而導(dǎo)致計(jì)算工作重復(fù)性強(qiáng)、耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算周期長(zhǎng)、計(jì)算精度和計(jì)算效率難以保證。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格更能保證網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性, 為魚(yú)雷性能的預(yù)測(cè)和工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的研究手段。但現(xiàn)階段, 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的自動(dòng)生成始終未能獲得真正意義上的解決[4], 構(gòu)建復(fù)雜性體要使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分是很困難的。

本文針對(duì)上述流體動(dòng)力布局設(shè)計(jì)計(jì)算中的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分問(wèn)題, 提出了一種基于商用ICEM CFD軟件, 針對(duì)“十”字形全動(dòng)舵、“十”字形翼端舵兩類(lèi)鰭/舵布局魚(yú)雷的快速、多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理方法。

1 計(jì)算對(duì)象

圖1和圖2分別是一型“十”字形全動(dòng)舵構(gòu)型[5]和“十”字形翼端舵構(gòu)型魚(yú)雷尾部流體動(dòng)力布局(翼端舵在廣義上也屬于全動(dòng)舵布局的一種[6]), 這2種鰭/舵布局分別應(yīng)用于美國(guó)MK46, MK54系列和俄羅斯MTT系列, 意法MU90系列等輕型反潛魚(yú)雷[7]。

圖1 “十”字形全動(dòng)舵構(gòu)型魚(yú)雷

2 網(wǎng)格處理方法

本文采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分思路, 把鰭/舵局部流場(chǎng)從全雷整體計(jì)算域中分離出來(lái), 形成多塊計(jì)算域, 在各自坐標(biāo)系下單獨(dú)劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格, 再通過(guò)多塊耦合方法形成全流場(chǎng)整體計(jì)算域網(wǎng)格。這種方法在魚(yú)雷舵角變化流場(chǎng)計(jì)算時(shí), 只需重新劃分舵板計(jì)算域網(wǎng)格, 從而節(jié)省了網(wǎng)格劃分耗時(shí), 提高計(jì)算效率。

圖2 “十”字形翼端舵構(gòu)型魚(yú)雷

下面針對(duì)2種不同類(lèi)型鰭/舵布局分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1) “十”字形全動(dòng)舵構(gòu)型魚(yú)雷

圖3 水平舵角de=11°時(shí)全動(dòng)舵計(jì)算域網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖

2) “十”字形翼端舵構(gòu)型魚(yú)雷

“十”字形翼端舵不同于全動(dòng)舵構(gòu)型, 舵板安裝在底部支撐面上, 其中舵板與支撐面的交界面是2個(gè)翼型的交疊, 交疊后存在小尖劈, 這給結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分帶來(lái)相當(dāng)大的難度。如圖4所示。

這一特點(diǎn)的計(jì)算域要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分有2種方法。第1種方法是對(duì)局部小尖劈進(jìn)行鈍化處理, 使其滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分要求。但此種劃分方式帶來(lái)的問(wèn)題是, 每當(dāng)舵角變化時(shí), 計(jì)算模型都要重新進(jìn)行鈍化處理和網(wǎng)格劃分, 導(dǎo)致工作繁冗; 且由于模型局部鈍化處理也會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響。第2種方法是將舵板計(jì)算域和支撐面計(jì)算域分離, 兩者分別采用全動(dòng)舵計(jì)算域的H-O-H拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 采用interface方法進(jìn)行計(jì)算域交界面處理, 實(shí)現(xiàn)計(jì)算域之間的數(shù)據(jù)傳遞。圖5是交界面處理示意圖, 大圓和小圓分別表示大小和相對(duì)位置全然不同的2個(gè)實(shí)體, 在這2個(gè)實(shí)體的外部空間生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格, 使用inter- face技術(shù)對(duì)2個(gè)面進(jìn)行交界面處理, 完全重合的部分會(huì)默認(rèn)為壁面處理, 在其他區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。這種方法避免了對(duì)舵板和支撐面交界處的簡(jiǎn)化處理, 保證了計(jì)算精度。

圖4 翼端舵交界面示意圖

圖5 交界面之間網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)傳遞示意圖

圖6 “十”字形翼端舵水平舵角de=10°時(shí)網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

3 方法試驗(yàn)考核

以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS CFX為數(shù)值計(jì)算平臺(tái), 采用2階迎風(fēng)格式, 耦合隱式推進(jìn), 湍流模型選用SST模型[8]。

4 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.1 “十”字形全動(dòng)舵構(gòu)型魚(yú)雷

圖7 “十”字形全動(dòng)舵構(gòu)型魚(yú)雷升力系數(shù)隨舵角變化曲線

圖8 “十”字形全動(dòng)舵構(gòu)型魚(yú)雷俯仰力矩系數(shù)隨舵角變化曲線

4.2 “十”字形翼端舵構(gòu)型魚(yú)雷

圖9 “十”字形翼端舵構(gòu)型魚(yú)雷俯仰力矩系數(shù)隨舵角變化曲線

圖10“十”字形翼端舵構(gòu)型魚(yú)雷升力系數(shù)隨舵角變化曲線

全雷帶推進(jìn)器狀態(tài)下, 不同舵角姿態(tài)時(shí)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖11和圖12, 可以看出二者吻合較好。

圖11 升力系數(shù)隨舵角和攻角變化曲線

圖12 俯仰力系數(shù)隨舵角和攻角變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種快捷、有效的全雷計(jì)算域多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理方法, 局部計(jì)算域采用H-O-H拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分, 應(yīng)用interface方法實(shí)現(xiàn)各計(jì)算域交界面處理, 實(shí)現(xiàn)全雷整體計(jì)算域的多塊耦合。經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比試驗(yàn), 本文提出適用于魚(yú)雷變舵角的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格處理方法可行有效;本方法提高了計(jì)算效率和計(jì)算精度, 推廣適用于繞定軸旋轉(zhuǎn)等局部結(jié)構(gòu)小范圍變化的幾何構(gòu)型。

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A Structured Grid Processing Method for Torpedo with Varying Angle of Rudder

LU Rui, TAN Kun, CAI Wei-jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

This paper proposes a quick and efficient processing method of multi-block structured grid for torpedo with cross-shaped all-movable rudder or cross-shaped fin-tip rudder. Making use of structured grid, which is advantageous to exquisitely control near-wall′s mesh quality and achieve high solution precision, a method for dividing structured grid based on multi-block technology is presented. Local flow-field zones of fin or rudder are separated from whole torpedo domain to form multiple blocks, and structured grid is divided within each block by using independent coordinate frame. Then the grid of computation domain of whole flow-field is constructed. This method can simplify grid-dividing process, shorten grid-dividing time, and improve calculation efficiency and precision. Simulation result coincides with tunnel test one, indicating the proposed method is available for the geometries with small movement, such as rotation around a fixed axis.

torpedo; all-movable rudder; fin-tip rudder, multi-block structured grid

TJ630.2

A

1673-1948(2012)02-0086-04

2011-05-20;

2011-08-17.

盧 蕊(1981-), 女, 碩士, 工程師, 研究方向?yàn)樗潞叫畜w流體力學(xué)與總體布局.

(責(zé)任編輯: 陳 曦)