PERA SIM螺旋桨外流场分析
安世亚太流体工程师
陈瑞
0.摘要
本文利用安世亚太自主开发的通用流体仿真软件PERA SIM Fluid对潜艇螺旋桨的外流场进行计算分析，得到螺旋桨周围流场信息及不同转速下的力矩、阻力等水力特性。通过这个案例，展示PERA SIM Fluid的相关功能，希望对其他工程师有所帮助。
关键词：潜艇螺旋桨；外流场；多参考系；
1.引言
潜艇作为一种重要的水下作战装备，其动力系统的研发和优化一直是海军科技领域的重点。而其中一个关键组成部分就是潜艇螺旋桨。螺旋桨的设计和性能直接影响着潜艇的速度、操纵性和静音性等关键指标。通过不断改进螺旋桨的设计和制造工艺，可以提高潜艇的推进效率和速度，从而增强其战斗能力和作战灵活性。此外，螺旋桨的静音性也是研发的重要目标之一。静音螺旋桨可以减少潜艇在水下的噪音，提高其隐蔽性和隐身能力，从而增强其侦察和打击的效果。
在螺旋桨的研发过程中，仿真技术的重要性不可忽视。通过仿真，可以在虚拟环境中对各种螺旋桨设计方案进行评估和优化。仿真可以模拟螺旋桨在不同工况下的流体动力学行为，预测其推力、扭矩和流场等关键参数。同时，仿真还可以分析螺旋桨与水流的相互作用，优化螺旋桨的形状和叶片布局，提高其效率和静音性。因此，深入研究仿真技术在潜艇螺旋桨研发中的应用，具有重要的理论和实践意义。
本文利用流体分析软件PERA SIM Fluid对螺旋桨外流场进行仿真分析，展示PERA SIM Fluid在螺旋桨外流场仿真中的方法及过程。
2.螺旋桨结构与研究方法
2.1 模型
结构上螺旋桨由叶片和转轴组成，在进行外流场分析的时候，并不需要螺旋桨固体区域，而需要构建其外部流场区域。本案例所提供的模型中，已经构建了分析所需的外流场。
图 1 螺旋桨模型
图 2 螺旋桨外流场
2.2 计算工况
设置螺旋桨转速为500转。
3.仿真设置流程
3.1 模型建立及简化
1) 打开PERA SIM Fluid 2023R1，将准备的好螺旋桨几何文件“Propeller.stp”导入；几何体内包含有螺旋桨附近的外流场MRF旋转域以及外流场静域。
图 3 几何导入窗口
图 4 导入的螺旋桨流场计算模型
2) 在Ribbon功能区中切换到【几何】功能页，通过【几何】中【快速修复】功能，对几何中交叉的点线及小型特征进行快速的一键修复。
图 5 快速修复功能框
3) 通过【几何】中的【分组】功能，将外流场中的入口面、出口面、外流场壁面、旋转域和静止域的交界面、螺旋桨壁面分别进行分组命名。
图 6 对几何面进行分组命名
4) 通过【几何】中【识别体】功能，将导入几何的封闭曲面形成实体，识别体以后在左侧模型树中可以看到所形成的实体；首先，删除Volume3计算域，这是螺旋桨固体域，对于外流场分析来说并不需要，随后对剩下两个计算域分别进行命名【MRF】和【stationary】。
图 7 识别体后形成的计算域
5) 通过【视图区】上方的【导航工具栏】中的【测量】功能对几何体进行测量可以发现，导入的几何体的叶片距离约为0.25m，尺寸符合实际，不需要进行缩放。
图 8 几何体的测量
6) Ribbon功能区中切换到【网格】功能，【网格】中先进行【全局网格】设置。设置最大尺寸0.05，最小尺寸0.005，在高级设置中，开启【邻近控制】，设置【间隙单元数】为2，取消勾选【全部三角形网格】。
图 9 全局网格控制基本设置和高级设置
7) 在【网格】功能中进行【边界层】设置，需要对壁面处添加边界层，也就是螺旋桨的壁面上，在【边界层】功能框中【几何体列表】选择内部MRF区域，区域中的【几何面列表】选择螺旋桨壁面，添加边界层，设置【层数】为3，【第一层层高】为0.002。
图 10 边界层的定义
8) 在【网格】功能中，勾选【边界层】和【多面体】，选择进行基于体生成体网格。生成网格194795个多面体网格。通过【工具】下的【网格切平面】功能，可以进行网格剖视查看。通过【网格】功能下的【质量】功能，可以查看网格质量分布。
图 11 生成的体网格
图 12 网格质量查看
3.2 求解设置
1) 模型树区域由【网格】模块切换到【分析】模块下，进行求解条件的设置。
图 13 分析模块
2) 在【模型】中【粘度】模型里，选择模型为SST kw模型，壁面函数选择混合壁面函数。
图 14 粘度模型的设置
3) Ribbon功能区中，切换到【设置】功能下，点开【材料库】，将材料库中的液态水复 制到材料中，点开模型树中的【材料】节点，可以看到液态水已经在材料中了。
图 15 添加材料
4) 点开【计算域】节点中的【流体】节点，可以看到两个计算域都在此节点下，将两个计算域的材料都改为water liquid，其中【MRF】是内部的旋转域，需要勾选【运动参考系】，设置旋转速度为500转，旋转轴为x轴。
图 16 设置计算域
5) 点开【边界条件】节点，将Inlet改成压力入口，将Outlet改为压力出口，将外流场wall壁面改为滑移壁面。
图 17 边界条件的定义
6) 在【求解】节点下的【监控】节点中，对【0.2 0 0】处进行速度监控。
图 18 点速度监控
7) 随后进入【初始化】保持默认点击【应用】，【计算】节点中设计迭代500步，然后在Ribbon中【设置】功能下点击【运行】开始进行求解。
4.计算结果分析
PERA SIM Fluid后处理包括点数据提取，线、面、分割区域的云图、矢量图、等值线/等值面、动画、二维数据表/曲线、用户自定义变量等。这里仅展示部分功能。
左侧模型树上方切换到【结果】标签页下，Ribbon功能区切换到【后处理】功能中。可以进行相关的后处理操作。
图 19 速度云图
图 20 压力分布图
图 21 螺旋桨表面压力
图 22 中线上速度分布
图 23 迹线图
最后，监测点的速度在1.656099m/s，利用国外成熟CFD商业软件计算同样的模型，其计算结果为1.6508497m/s，两者偏差在0.32%。
图 24 PERA SIM Fluid监控点速度迭代变化
图 25 国外成熟CFD商业软件监控点速度迭代变化
5.结论
本文利用PERA SIM Fluid流体仿真软件，实现了螺旋桨的外流场分析。完成模型导入、几何修复、网格划分、边界条件以及求解参数等设置处理后，进行了求解，得到了螺旋桨外流场的速度、压力结果。
通过本案例可以看出，PERA SIM Fluid流体仿真软件能够处理完整的流体仿真。
1）从几何层面上来讲，软件支持多种外部模型类型的导入，并对模型进行快速的修复；
2）从网格层面，软件支持局部网格控制、全局网格控制，边界层网格划分以及多面体体网格生成；
3）从材料和粘度模型来讲，软件提供了材料库，提供了多种常用材料的快速导入；并且提供了多种湍流模型来适应多种不同的工况的计算；
4）从计算域功能来看，软件支持MRF多参考系来对旋转机械、部件进行分析；
5）从边界条件层面来讲，软件支持压力、流量、速度等多种载荷类型，支持多种壁面边界条件以及流体交界面的定义；
6）从后处理层面来看，软件可以查看计算的速度、压力等结果云图以及迹线图，也支持查看特性截面的云图展示，同时支持特定曲线上的流动变量提取等功能。
本例仅能展示PERA SIM Fluid流体分析软件的部分功能，还有很多功能有待感兴趣的工程师进一步的尝试开发。
