[发明专利]研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法

权利要求书

1.一种研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，其特征在于本方法分为验证和应用两个阶段，每个阶段均包括以下步骤：

步骤A、建立三维几何模型：根据几何参数建立AUV和螺旋桨的单独三维模型和两者组合三维模型；

步骤B、确定网格结构和尺寸：根据所建立的三维模型大小和运动模式，确定各部件的网格类型和尺寸，选择边界层网格的参数；

步骤C、选择边界条件和求解方法：根据所研究的问题选择合适的边界条件和求解方法，静止域和旋转域的设置基于部件运动状态确定；

步骤D、网格和迭代步长独立性验证：基于划分的网格和选定的边界条件进行仿真，比较不同网格尺寸和迭代步长的结果差异，验证模拟结果与网格尺寸和迭代步长的无关性；

步骤E、数值模拟及结果分析：采用验证的数值方法对AUV和螺旋桨在直流和斜流中交互作用开展数值研究，根据结果进行分析得出研究结论。

2.根据权利要求1所述的研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，其特征在于所述步骤A中：

(1)为了获得附体对AUV水动力特性的影响，AUV的模型包括有无附体两种；

(2)将螺旋桨与旋转域融合，实现螺旋桨由体到面的转换，方便步骤B中网格划分；

(3)把AUV和螺旋桨模型进行组合，两者间设置间隔。

3.根据权利要求1所述的研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，其特征在于所述步骤B中：

(1)采用混合网格结构，静止域采用粗的非结构网格，旋转域采用细的非结构网格，AUV艇体、附体和螺旋桨添加边界层网格；

(2)静止域、旋转域、AUV和螺旋桨的尺寸分别定义，计算雷诺数Re和无量纲壁面距离y⁺的数值，确定边界层网格的参数；

式中，ρ是流体的密度；v是流体的速度；l是特征长度；μ是流体的动力粘度；υ是流体的运动粘度；y是距边界的垂直距离；u_τ是摩擦速度；τ_w是壁面剪切应力。

4.根据权利要求1所述的研究AUV艇体和螺旋桨交互作用的方法，其特征在于所述步骤C中：

(1)构建圆柱形计算域，设定大计算域以减少壁面边界的影响；

(2)螺旋桨在敞水中的计算域，半径为10D_p，上游延伸长度为10D_p，下游延伸长度为20D_p(D_p表示螺旋桨的直径)；螺旋桨处于艇体之后的计算域，半径为10D，上游延伸长度为L，下游延伸长度为3L(D表示AUV的直径，L表示AUV的总长度)；

(3)设定来流沿X轴正方向流动，X轴负方向为速度入口，X轴正方向为压力出口，无滑移壁面边界应用于计算域的表面壁、AUV艇体和螺旋桨；

(4)采用多参考系法(Multiple reference frames,MRF)和剪切应力运输(Shearstress transport,SST)k-ω湍流模型进行稳态计算，旋转域和静止域的交界面通过共享拓扑实现；

(5)求解器的类型为压力基，求解模式为基于SIMPLE算法的速度压力耦合，采用基于最小平方单元的梯度进行空间离散，压力、动量、湍动能及耗散率均为二阶迎风格式；

(6)雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds Averaged Navier-Stokes,RANS)方法用于求解控制方程，采用混合初始化方法；

式中，ρ是流体的密度，取淡水的密度为998.2kg/m³；是速度矢量的平均笛卡尔分量；是平均压力；μ是流体的动力粘度，取20℃时淡水的动力粘度为0.001003kg/(m·s)；是雷诺应力。