本案例演示利用Fluent中的VBM模型模拟螺旋桨外流场分布。

注：

案例内容来自Fluent Beta文档。

”

虽然VBM模型是专门为模拟直升机旋翼流/机身相互作用而编写的，但其可以轻松地处理其他各种类型的旋转部件，如飞机和船舶螺旋桨、轴向风力涡轮机等。

物理螺旋桨被一个有限厚度的虚拟盘代替，该虚拟盘利用FLUENT控制方程中的动量源项模拟实际螺旋桨的推力和扭矩。从FLUENT计算得到的三维流动解中提取虚拟盘中的局部流动特征，并由VBM模型从翼型查找表中计算作用在每个叶片截面上的力，然后施加到组成虚拟盘的单元上。

非定常螺旋桨问题被一种简单得多的时间平均程序取代，该程序可以非常有效地用于实际螺旋桨驱动的飞机的初始设计。本案例使用的计算网格非常粗糙，但本案例的目的是说明进行此类模拟的方法，而不是进行计算结果验证，实际工程应用中应该使用更加精细的计算网格。

1 问题描述

案例涉及到的螺旋桨结构如下表所示。

案例涉及的操作条件如下表所示。

表中的advance ratio定义为：

式中，为螺旋桨直径，m；为旋转速度，rev/s；为旋转速度，rad/s；为螺旋桨轴流速度，m/s。

螺旋桨叶片几何如下表所示。

计算域几何如下图所示。

2 Fluent设置

• 以3D、Double Precision模式启动Fluent
• 读取计算网格VBM_propeller_tutorial.msh.gz

2.1 编译及加载UDF

• 右键选择模型树节点User Defined Memory，选择菜单项Edit…

• 对话框中设置参数Number of User Memory Locations为15，点击OK按钮关闭对话框

• Functions → Compiled…打开UDF编译对话框，如下图所示添加源文件编译并加载UDF

• 利用菜单File → Read → Scheme….读取Scheme脚本文件rotor_model.scm

2.2 计算区域设置

• 选择Zones → Cell Zones打开区域设置对话框
• 如下图所示分别指定X、Y、Z三方向的动量源项为udf xmom_src_1::libudf、udf ymom_src_1::libudf及udf zmom_src_1::libudf

2.3 挂载附加的UDF

• 选择User-Defined → Function Hooks...打开设置对话框
• 如下图所示挂载附加的UDF

2.4 操作条件设置

• Physics → Operating Conditions…打开对话框，如下图所示设置操作条件

2.5 General设置

• General面板采用默认设置

2.6 模型设置

• 打开能量方程

• 选择使用SA模型

2.7 材料介质设置

• 材料密度采用ideal-gas模型

注：

VBM也可以使用恒定密度和不可压缩理想气体，但是由于转子通常工作在可压缩区域，选择理想气体模型更合适。

”

2.8 边界条件设置

1、inflow边界

• 指定inflow边界的速度

• 指定inflow边界的温度

2、outflow边界

• 如下图所示设置出口outflow的边界参数

• 设置出口回流温度

3、outer边界

• 指定outer边界的参数

2.9 参考条件设置

• 如下图所示设置参考值

2.10 Methods设置

• 指定求解方法

2.11 残差设置

• Solution → Reports → Residuals…设置残差标准

2.12 设置监测

• Solution → Reports → Definitions → New… → Surface Report → Integral…设置变量监测

2.13 初始化

• Solution → Initialization进行初始化计算

• File → Write → Case…保存case文件

2.14 输入旋转盘信息

• Models → Virtual Blade Model打开VBM对话框
• 如下图所示设置参数

• 进入Geometry标签页设置参数
• 点击按钮Change/Create设置参数

• 点击OK按钮关闭对话框

2.15 求解计算

• 设置迭代次数为500次

• 检测到的压力如下图所示
  

3 计算结果

• 定义z=0的平面plane-z=0

• 查看平面plane-z=0上速度分布

• 速度分布如下图所示

• 查看int-acdisk面上的AOA分布

• AOA分布如下图所示

• 查看该面上叶片角分布

4 考虑Trimming处理

根据公式计算定距螺旋桨的推力系数：

式中参数见下表。

计算到推理系数。

• 修改Collective角为55°

• 激活选项Trimming及Collective Pitch，如下图所示设置参数

• 不初始化继续迭代计算

• 计算完毕后的速度分布

• 攻角分布

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道