一種適用于魚雷變舵角的結構網格處理方法

盧 蕊, 譚 坤, 蔡衛軍

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一種適用于魚雷變舵角的結構網格處理方法

盧 蕊, 譚 坤, 蔡衛軍

(中國船舶重工集團公司第705研究所, 陜西 西安, 710075)

針對魚雷變舵角工況計算流體力學(CFD)流場計算中網格劃分環節, 以“十”字形全動舵、“十”字形翼端舵兩類鰭/舵布局為對象, 提出了一種快捷高效的多結構化網格處理方法。結合結構網格有利于對近壁面網格精細控制、保證其求解精度高的特點, 采用多塊結構化網格劃分思路, 把鰭/舵局部流場區域從全雷整體域中分離出來, 形成多塊計算域, 在各自獨立坐標系下劃分結構化網格, 通過多塊耦合方法形成全流場計算域網格。減小了網格劃分工作難度, 避免了重復性, 提高了設計計算效率和精度。經計算結果驗證, 本文方法有效可行, 可推廣適用于繞定軸旋轉等局部小范圍變化的幾何構型。

魚雷; 全動舵; 翼端舵; 多結構化網格

0 引言

隨著計算流體力學(computational fluid dy- namics, CFD)和計算機技術的飛速發展, 通過求解全3D粘性流動的控制方程——雷諾平均NAVIER-STOKES方程的方法, 模擬水中兵器周圍精細流動結構, 預測和改進魚雷的水動力性能, 已成為一種不可缺少的重要研究方法。網格劃分技術是CFD技術中最為耗時的環節, 也是直接影響數值模擬精度和效率的關鍵因素[1]。網格分為結構網格和非結構網格兩大類型。非結構網格適用于處理復雜幾何結構, 但網格數量多, 對計算硬件資源要求高, 近壁面附近的網格畸變較大, 網格質量較差, 難以保證計算精度; 結構化網格和前者相比數量少, 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, 具有其他網格無法比擬的優勢[2]。

新型流體動力布局設計中, 需要針對不同的設計方案進行大量變攻角、變舵角狀態計算, 對計算效率提出比以往更高的要求。另一方面, 魚雷尾部構型復雜, 魚雷航行過程中的升力和力矩主要由鰭/舵來承擔, 在進行魚雷流體動力性能計算中, 需要能準確預報出不同航行姿態下全雷及鰭/舵的受力情況, 對計算精度提出較高要求。而目前國內傳統的魚雷流體動力性能計算基本采用非結構化網格和混合網格[3], 每次變化舵角姿態需要重新生成網格, 從而導致計算工作重復性強、耗時長、計算周期長、計算精度和計算效率難以保證。結構網格更能保證網格質量和計算的準確性, 為魚雷性能的預測和工程設計提供強有力的研究手段。但現階段, 結構網格的自動生成始終未能獲得真正意義上的解決[4], 構建復雜性體要使用結構網格劃分是很困難的。

本文針對上述流體動力布局設計計算中的結構網格劃分問題, 提出了一種基于商用ICEM CFD軟件, 針對“十”字形全動舵、“十”字形翼端舵兩類鰭/舵布局魚雷的快速、多塊結構化網格處理方法。

1 計算對象

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

圖1 “十”字形全動舵構型魚雷

2 網格處理方法

本文采用多塊結構化網格劃分思路, 把鰭/舵局部流場從全雷整體計算域中分離出來, 形成多塊計算域, 在各自坐標系下單獨劃分結構化網格, 再通過多塊耦合方法形成全流場整體計算域網格。這種方法在魚雷舵角變化流場計算時, 只需重新劃分舵板計算域網格, 從而節省了網格劃分耗時, 提高計算效率。

圖2 “十”字形翼端舵構型魚雷

下面針對2種不同類型鰭/舵布局分別進行詳細介紹。

1) “十”字形全動舵構型魚雷

圖3 水平舵角de=11°時全動舵計算域網格細節圖

2) “十”字形翼端舵構型魚雷

“十”字形翼端舵不同于全動舵構型, 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個翼型的交疊, 交疊后存在小尖劈, 這給結構化網格劃分帶來相當大的難度。如圖4所示。

這一特點的計算域要實現結構網格劃分有2種方法。第1種方法是對局部小尖劈進行鈍化處理, 使其滿足結構化網格劃分要求。但此種劃分方式帶來的問題是, 每當舵角變化時, 計算模型都要重新進行鈍化處理和網格劃分, 導致工作繁冗; 且由于模型局部鈍化處理也會對流場產生一定的影響。第2種方法是將舵板計算域和支撐面計算域分離, 兩者分別采用全動舵計算域的H-O-H拓撲結構進行網格劃分, 采用interface方法進行計算域交界面處理, 實現計算域之間的數據傳遞。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位置全然不同的2個實體, 在這2個實體的外部空間生成結構網格, 使用inter- face技術對2個面進行交界面處理, 完全重合的部分會默認為壁面處理, 在其他區域進行數據傳遞。這種方法避免了對舵板和支撐面交界處的簡化處理, 保證了計算精度。

圖4 翼端舵交界面示意圖

圖5 交界面之間網格點數據傳遞示意圖

圖6 “十”字形翼端舵水平舵角de=10°時網格拓撲結構示意圖

3 方法試驗考核

以計算流體動力學軟件ANSYS CFX為數值計算平臺, 采用2階迎風格式, 耦合隱式推進, 湍流模型選用SST模型[8]。

4 計算結果與試驗結果對比

4.1 “十”字形全動舵構型魚雷

圖7 “十”字形全動舵構型魚雷升力系數隨舵角變化曲線

圖8 “十”字形全動舵構型魚雷俯仰力矩系數隨舵角變化曲線

4.2 “十”字形翼端舵構型魚雷

圖9 “十”字形翼端舵構型魚雷俯仰力矩系數隨舵角變化曲線

圖10“十”字形翼端舵構型魚雷升力系數隨舵角變化曲線

全雷帶推進器狀態下, 不同舵角姿態時計算和試驗結果對比見圖11和圖12, 可以看出二者吻合較好。

圖11 升力系數隨舵角和攻角變化曲線

圖12 俯仰力系數隨舵角和攻角變化曲線

5 結束語

本文提出了一種快捷、有效的全雷計算域多塊結構化網格處理方法, 局部計算域采用H-O-H拓撲結構進行網格劃分, 應用interface方法實現各計算域交界面處理, 實現全雷整體計算域的多塊耦合。經風洞試驗結果對比試驗, 本文提出適用于魚雷變舵角的結構網格處理方法可行有效;本方法提高了計算效率和計算精度, 推廣適用于繞定軸旋轉等局部結構小范圍變化的幾何構型。

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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, 研究方向為水下航行體流體力學與總體布局.

(責任編輯: 陳 曦)