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本案例采用穩(wěn)態(tài)＋瞬態(tài)聯(lián)合仿真流程：

●  首先采用多重參考系（MRF）方法進行穩(wěn)態(tài)計算，快速獲取初始流場

●  再以穩(wěn)態(tài)流場為初場，采用滑移網(wǎng)格進行瞬態(tài)計算，輸出推力、扭矩等關(guān)鍵水動力參數(shù)

●  得到周期規(guī)律變化的瞬態(tài)流場后，開啟FW-H聲學(xué)模型，完成推進器水動噪聲仿真

關(guān)鍵物理場：壓力基流體仿真分析軟件（INTESIM-CFD1）

核心功能：MRF、滑移網(wǎng)格、FW-H噪聲

分析類型：穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析

03 仿真模型建立

圖 1水下推進器幾何模型

（2）計算域

創(chuàng)建圓柱形流體計算域，如圖 2所示，其直徑為5D，入口/出口距推進器均為4.5D（D為轉(zhuǎn)子直徑），以確保流場充分發(fā)展。轉(zhuǎn)子周圍包裹圓柱形旋轉(zhuǎn)域，如圖 3所示。

圖 2整體計算域

圖 3旋轉(zhuǎn)域

（3）計算域網(wǎng)格劃分

使用INTESIM-CFD1軟件對流體域劃分“四面體+邊界層”網(wǎng)格，如圖 4所示，對壁面處網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格總數(shù)量為8823191。

圖 4流體域網(wǎng)格

04 仿真設(shè)置

材料參數(shù)：

流體域材料為液體水，其材料屬性設(shè)置如圖 5所示。

圖 5流體材料屬性

湍流模型：

在進行推進器水動力參數(shù)計算時，選取SST k-omega模型，該模型可以高精度解析葉片表面的邊界層，準(zhǔn)確預(yù)測由逆壓梯度引起的流動分離。其混合特性使其在近壁區(qū)和主流區(qū)都有良好表現(xiàn)，數(shù)值上相對穩(wěn)健，易于收斂。具體模型參數(shù)如圖 6所示。

圖 6水動力分析-湍流模型參數(shù)

在進行噪聲計算時，選取DES湍流模型，該模型可以精準(zhǔn)捕捉大尺度渦結(jié)構(gòu)與壓力脈動，準(zhǔn)確預(yù)測推進器噪聲。DES湍流模型具體參數(shù)如圖 7所示。

圖 7噪聲分析-湍流模型參數(shù)

仿真參數(shù)設(shè)置：

以MRF方法計算得到的流場結(jié)果作為初始流場，再使用滑移網(wǎng)格方法繼續(xù)計算得到1s內(nèi)的結(jié)果。瞬態(tài)分析結(jié)束時間、時間步長以及迭代次數(shù)設(shè)置如圖 8、圖 9所示。

圖 8瞬態(tài)分析時間控制參數(shù)

圖 9瞬態(tài)分析求解設(shè)定參數(shù)

邊界條件：

計算域左側(cè)為速度入口，右側(cè)為壓力出口，推進器轉(zhuǎn)子設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面。使用滑移網(wǎng)格計算時，需設(shè)置動靜交界面。邊界條件示意圖如圖 10所示，邊界參數(shù)詳見表 1。

圖 10邊界條件示意圖

表 1邊界條件設(shè)置

水動噪聲計算設(shè)置：

在水下推進器周圍設(shè)置4個監(jiān)測點以便于噪聲對比分析，監(jiān)測點位置如圖 11所示。其中Rec1、Rec2位于推進器徑向方向，Rec3、Rec4位于推進器軸向方向。

圖 11監(jiān)測點位置

噪聲計算選擇FW-H聲學(xué)模型，該模型適用于流動、湍流、物體表面等因素產(chǎn)生的噪聲。具體模型參數(shù)、噪聲源、監(jiān)測點坐標(biāo)見圖 12。

圖 12 FW-H模型參數(shù)設(shè)置

05 仿真結(jié)果分析與精度對比

葉片壓力云圖結(jié)果：

1秒時刻轉(zhuǎn)子葉面與葉背的壓力云圖如圖 13、圖 14所示，從圖中可以清晰地觀察到葉面整體呈高壓狀態(tài)、葉背整體呈低壓狀態(tài)，壓力分布合理。與對標(biāo)軟件結(jié)果進行對比，轉(zhuǎn)子葉片大正壓相差2.93%。

圖 13 1秒時刻轉(zhuǎn)子葉面壓力云圖

圖 14 1秒時刻轉(zhuǎn)子葉背壓力云圖

1秒時刻垂直于Z軸截面的流場壓力云圖如圖 15所示，從圖中可以看出，由于轉(zhuǎn)子的抽吸作用，轉(zhuǎn)子前端區(qū)域壓力低于后端，形成穩(wěn)定壓差，這正是推進器推力的主要來源。與對標(biāo)軟件結(jié)果進行對比，截面壓力大正壓相差2.02%。

圖 15 1秒時刻速度場云圖對比

水動力參數(shù)結(jié)果：

瞬態(tài)分析得到的推力與扭矩隨時間變化曲線如圖 16、圖 17所示。從水動力參數(shù)變化曲線圖可以看出，推力和扭矩曲線呈現(xiàn)出明顯的周期性規(guī)律。推力在0~0.1s間出現(xiàn)了一個顯著的峰值，高接近4000N，隨后快速下降，這是推進器啟動初期的瞬態(tài)波動；0.1s~1s內(nèi)，推力進入周期性波動狀態(tài)，1s內(nèi)6個完整周期，每個周期對應(yīng)推進器轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈，且扭矩和推力的周期完全同步，說明水下推進器的推力與扭矩變化具有強相關(guān)性。

圖 16推力隨時間變化曲線                         圖 17扭矩隨時間變化曲線

采用時均法計算，得到該推進器在3m/s來流速度、轉(zhuǎn)速為400rpm的水動力參數(shù)，如表 2所示。

表 2水動力參數(shù)數(shù)據(jù)

推進器流場動畫：

水動噪聲結(jié)果：

流場不同監(jiān)測點的聲壓級曲線如圖 18所示，從曲線可以看出，所有監(jiān)測點的聲壓級曲線均呈現(xiàn)“低頻高、高頻低”的共性規(guī)律。在低頻段（0~200Hz），聲壓級快速下降，是水下推進器噪聲的主要能量集中區(qū)域，這是因為水下推進器的機械振動和轉(zhuǎn)子空化的基頻及低階諧波主要分布在低頻范圍；在中高頻段（200~1000Hz），聲壓級下降變緩，波動幅度減小，這部分噪聲主要來自轉(zhuǎn)子的高階諧波，同時湍流噪聲在該頻段自然衰減。

在工程應(yīng)用上，可以根據(jù)INTESIM-CFD1計算出水下推進器的噪聲大小與分布情況，依據(jù)這些數(shù)據(jù)針對性改進推進器結(jié)構(gòu)，有效降低噪聲的聲壓級，讓設(shè)備在水下運行時更安靜，顯著提升隱蔽性。

（a）Rec1                                                 （b）Rec2

（c）Rec3                                              （d）Rec4

圖 18不同監(jiān)測點的聲壓級曲線

06 結(jié)論

本案例基于INTESIM-CFD1軟件，建立了水下推進器從幾何處理、網(wǎng)格劃分、模型設(shè)置到流場-水動力-噪聲一體化仿真的完整流程。同時驗證了MRF、滑移網(wǎng)格、FW-H聲學(xué)模型的可靠性與計算精度。

該方案可直接支撐推進器設(shè)計優(yōu)化與降噪改進，大幅縮短研發(fā)周期，降低試驗成本。隨著應(yīng)用的深入和軟件的持續(xù)迭代，INTESIM-CFD1必將在船舶海洋工程乃至更廣闊的工業(yè)仿真領(lǐng)域，扮演越來越重要的角色，為國家高端裝備的自主研發(fā)注入強勁動力。

07 新一代核心工業(yè)軟件賦能深海裝備研發(fā)

作為新一代核心工業(yè)軟件，英特壓力基流體仿真軟件具備自主可控的底層仿真內(nèi)核與求解引擎，擺脫了國外技術(shù)壟斷，保障高端裝備研發(fā)的技術(shù)安全與數(shù)據(jù)安全，破解“卡脖子”難題。

同時，立足深海裝備、水下航行器等新興應(yīng)用場景持續(xù)創(chuàng)新，融合高精度湍流與聲學(xué)耦合算法，實現(xiàn)技術(shù)性能對標(biāo)國際一流水平，為水下推進器研發(fā)提供更精準(zhǔn)、更高效的數(shù)字化仿真能力，以自主可控的核心工業(yè)軟件，助力中國深海裝備邁向更高效、更靜音的高質(zhì)量發(fā)展新征程。