STAR-CCM+螺旋桨气动仿真分析详解
STAR-CCM+螺旋桨气动仿真分析详解
本文详细介绍了使用STAR-CCM+软件通过MRF（移动参考坐标系法）进行螺旋桨气动参数分析的全过程。从模型预处理到结果分析，每个步骤都配有详细的说明和图片，对于从事流体力学仿真分析的专业人士具有较高的参考价值。
starccm+用MRF（移动参考坐标系法）进行螺旋桨气动参数分析
- 1.模型预处理
- 2.导入表面网格
- 3.表面准备
- 4.连续体设置
- 5.边界设置
- 6.网格划分
- 7.求解器设置
- 8.设置报告
- 结果分析
1.模型预处理
从openvsp中导出的螺旋桨模型如下图所示
处理方法为在catia创成式外形设计模块进行处理，修复-封闭曲面-结合，将曲面转化为包络体
这里考虑到螺旋桨轮毂过大，考虑两种处理方法：1.轮毂不做修改，但后续监测时不勾选轮毂 2.将轮毂修改为水滴形状
这里选择方法2进行修改，转化为包络体后螺旋桨如下图所示
2.导入表面网格
新建starccm文件，选择并行，计算进程数取决于本地电脑性能，与cpu核心数相关，示例中选择12
选择文件-导入-导入表面网格，将几何模型导入
在上方横排第15个选择启动表面修复-确定，点击右下角的执行全部，右边红色、绿色和蓝色部分都为0，或者红色部分不为0但较小，则说明模型没问题。
3.表面准备
1.将螺旋桨表面进行区分，分为轮毂和叶片
2.创建旋转域、远场和几个加密域（对远场有以下尺寸要求：半径大于5D，前方大于5D，后方大于10D，其中D为螺旋桨直径）
3.进行减运算，生成流体域，这里分为内外两个流体域，其中外流场为远场减旋转域，内流场为旋转域减螺旋桨
4.将计算域（即内外两个流场）分配给区域，下方选定为113.
4.连续体设置
创建连续体，并依次选择以下参数：三维-气体-耦合流体-理想气体-隐式非稳态-湍流-Komega湍流-解算方案插值
设置参考值，参考压力可设置为当前状态下的标准大气压。
初始条件中速度设置为0.01，静态温度随工况调整。
5.边界设置
1.创建内外两个流场的交界面，选择两个旋转域壁面，右击创建交界面。
2.将远场类型设置为自由流，将物理条件-自由流体选项修改为高度-马赫数，修改物理值：高度，流向和马赫数。
3.首先在最下方工具-参考坐标系处右击创建旋转，设置好轴方向，轴原点和旋转速率。然后将内流场-物理值-运动指定-参考坐标系改为旋转。
6.网格划分
在几何-操作处右键创建自动网格，内外流场分两步进行划分，其中外流场选择表面重构、自动表面修复、多面体网格（不选棱柱层），内流场则选择表面重构、自动表面修复、多面体网格、棱柱层。棱柱层计算时选择30层，增长率1.2，特征长度取螺旋桨直径，参考速度选择螺旋桨叶片75%处的线速度。
自定义控制中则是加密部分设置。外流场进行两层的体加密
内流场对螺旋桨轮毂、叶片表面进行面加密，对交界面禁用棱柱层，对螺旋桨进行线加密，另外进行两层的体加密。
最终网格结果如图所示（在衍生部件处创建截面用于观察网格）
7.求解器设置
在停止准则处，改最大步长为最大迭代时间，取约旋转5圈的时间（例如示例中是5000RPM的转速，则对于5转的时间为0.06s）。内部迭代次数修改为15。求解器-隐式非稳态中的时间步定义一度或者两度的时间（例如示例中5转即1800度，对应总时长为0.06s，那么一度对应的时间为0.06除以1800）.
8.设置报告
新建力和力矩监测螺旋桨的推力和扭矩。并根据报告创建监视器和绘图。之后直接运行即可。
结果分析
悬停工况（静拉力）
最终得到推力和扭矩图像，推力为168.76N,扭矩为12.17N-m
在标量场景处生成螺旋桨后1D位置处截面的轴向速度和径向速度
对于螺旋桨的功率有
P = ω ⋅ Q P = \omega \cdot QP=ω⋅Q
其中ω \omegaω为角速度，Q为扭矩
对于螺旋桨的力效有
η = 1000 ⋅ T g ⋅ P \eta = \frac{1000 \cdot T}{g \cdot P}η=g⋅P1000⋅T
其中T为拉力，g为重力系数，P为功率
前飞工况（动拉力）
最终得到推力和扭矩图像，推力为88.94N,扭矩为7.93N-m
在标量场景处生成螺旋桨后1D位置处截面的轴向速度和径向速度，这里网格不是很密，收敛效果不是很好
对于螺旋桨的进动系数有
J = V n ⋅ D J = \frac{V}{n \cdot D}J=n⋅DV
其中V是来流速度，n是转速，D是螺旋桨直径
对于螺旋桨的拉力系数有
K T = T ρ ⋅ n 2 ⋅ D 4 KT = \frac{T}{\rho \cdot n^2 \cdot D^4}KT=ρ⋅n2⋅D4T
其中T是拉力，ρ \rhoρ是空气密度，n是转速，D是螺旋桨直径
对于螺旋桨的扭矩系数有
K Q = Q ρ ⋅ n 2 ⋅ D 5 KQ = \frac{Q}{\rho \cdot n^2 \cdot D^5}KQ=ρ⋅n2⋅D5Q
其中Q是扭矩，ρ \rhoρ是空气密度，n是转速，D是螺旋桨直径
对于螺旋桨的效率有
η = J 2 π ⋅ K T K Q \eta = \frac{J}{2\pi} \cdot \frac{KT}{KQ}η=2πJ ⋅KQKT