耦合计算方案

本项目将采用基于MpCCI的流固耦合仿真技术。首先分别建立螺旋桨的流体和结构分析模型。流体计算使用CFD软件FLUENT。结构计算使用通用有限元软件ABAQUS。使用MpCCI软件作为耦合仿真工具，实现FLUENT与ABAQUS在之间的数据传递。

FLUENT与ABAQUS全部采用瞬态求解。耦合过程中，首先使用FLUENT对流场进行领先的个时间步的计算，得到流体在桨叶表面产生的压力或节点力，再将这一参量传递给ABAQUS结构分析模型，作为结构分析的载荷。结构分析完成领先的个时间步的计算之后，将产生的结构节点位移参量传递给FLUENT，利用FLUENT的动网格功能完成网格变形，即流体区域改变。进而进行下FLUENT下一时间步的计算。如此循环，直到完成规定的计算时间为止。

模型准备

螺旋桨结构模型如下图所示，整体模型由正转反转两组桨叶组成。并且桨叶个数分别为九片和十一片组成。以下分别在FLUENT和ABAQUS软件中进行流体计算与结构计算的仿真模型。

螺旋桨CAD模型图

流体模型准备

FLUENT流体计算模型如下图所示。由于两组螺旋桨的旋转方向不同，将流体网格分为正转和反转两部分，两部分之间用Interface做交界面。考虑到耦合计算过程中，需要用到FLUENT动网格中的网格Remeshing功能，所以在网格划分时采用ICEM CFD的四面体网格自动划分功能。并对桨叶附近进行附近的网格进行适当加密，以得到较为精确的结果。同时，在网格划分时，需要对桨叶表面进行单独分组，以便使用MpCCI进行耦合计算是能够识别出耦合面位置。

在Fluent中采用基于压力的求解器，湍流模型采用k-omega模型。采用Frame Motion方法模拟螺旋桨转动。

结构模型准备

本项目中，以螺旋桨的桨叶表面作为耦合面，所以在结果模型中，仅对螺旋桨的各桨叶进行网格划分。如下图所示。

结构网格模型图

结构材料为各向同性的弹性材料，材料参数如下表所示。

表1. 结构模型物性参数

由于流体计算中使用FLUENT的Frame Motion方法模拟螺旋桨转动，所以在结构模型中，只要把桨叶根部进行全约束，并且对桨叶施加转动方向的惯性力即可。

在桨叶表面创建表面集合，以便使用MpCCI进行耦合计算时，能够识别出耦合面位置。

建立耦合模型

使用MpCCI建立耦合计算模型，具体操作如下图所示：

Model Step图

（1）选择仿真代码。

（2）倒入仿真文件。

（3）调整单位制。

（4）启动扫描。

Coupling Step-1图

（1）选择时间步耦合参量。

（2）设置时间步大小。

Coupling Step-2图

（1）选择耦合面。

（2）配置耦合参量。

Go Step图

（1）配置耦合参量初始化方式。

（2）依次启动耦合服务器和仿真代码。

结构分析结果

结构分析结果如列图表所示：

桨叶位移

                螺旋桨叶片位移云图（0.001秒）                            螺旋桨叶片位移云图（0.003秒）

            螺旋桨叶片位移云图（0.006秒）                            螺旋桨叶片位移云图（0.01秒）

由于最大位移出现喜在叶梢位置，在结构分析中，分别取两组桨叶的叶梢上的一个节点，作为观测点，用以叶梢随时间变化的位移情况。

观测点1位移曲线（延X轴方向）                                  观测点2位移曲线（延X轴方向）

 

       观测点2位移曲线（延Y轴方向）                                观测点2位移曲线（延Y轴方向）

  观测点3位移曲线（延Z轴方向）                             观测点3位移曲线（延Z轴方向）

桨叶应力：

          螺旋桨叶片应力云图（0.001秒）                           螺旋桨叶片应力云图（0.003秒）

         螺旋桨叶片应力云图（0.006秒）                               螺旋桨叶片应力云图（0.01秒）

流场分析结果

螺旋桨叶片表面总压分布

           叶片表面压力分布（0.01秒）                                 叶片表面流场速度分布（0.01秒）

结论

通过上述仿真工作可以看出，使用基于MpCCI流固耦合的分析思路，可以建立起接近实际工况的螺旋桨工作模型，通过该模型的仿真结果，可以对螺旋桨在工作时的动力学响应有直观了解，借此对螺旋桨发生颤振的可能性进行评估。