本发明属于螺旋桨优化设计领域，更具体的，涉及基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始预报方法。
背景技术：
1、空化现象是由于液流系统中的局部低压使液体蒸发而引起的微气泡(或称为气核)爆发性生长现象，在各种水轮机、泵和船舶(鱼雷)推进器等水动力设备中尤为常见。空化起始将引起剧烈的脉动压力，产生较强的辐射噪声，严重威胁船舶隐身性能。因此，空化起始航速(临界航速)的预报成为了当前军舰研究中的重要议题。对于实船螺旋桨，由于尺度效应，梢涡空化通常是最先出现的空化类型，是舰船临界航速判断的重要依据，因此，研究一种可靠高效的数值方法来预报螺旋桨梢涡空化初生，对于船舶临界航速的精准预报具有十分重要的意义。
2、近几十年来，计算机技术得到了迅速发展，计算理论得到了不断完善，基于cfd技术的数值计算方法也顺利地在船舶水动力学的研究中得到开发和应用，已经成为研究螺旋桨梢涡空化初生的一个有效的工具。目前，使用较为广泛的空化起始数值预报方法都是基于欧拉方法，其通常使用流场中最小压力来判别空化的发生，该方法只需要对螺旋的湿流场进行求解，计算较为简单。然而，该方法忽略了水质和气核运动生长对空化起始的影响，仅能对水中气核尺寸较大的弱水进行相对准确的预报，而无法对气核尺寸较小的强水进行相对准确的预报。但是，现有的实验测量结果表明水中的气核尺寸主要分布在40-60μm左右，更接近于强水，因此，传统的最低压力系数法难以做到准确预报。其次，欧拉方法严重依赖于梢涡处的局部网格分辨率，网格的质量以及加密程度直接影响着预报精度。
3、因此，亟需一种新的螺旋桨梢涡空化起始数值预报方法来进行精准预报与研究。
技术实现思路
1、针对以上需求，本发明将欧拉方法与拉格朗日方法关联起来，提出了一种考虑气核影响的基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始数值预报方法，且其中的梢涡空化起始判别准则技术方案也是本发明首创，克服了传统的欧拉方法求解精确度低、稳定性不够且严重依赖网格质量等问题。本发明可针对水面船舶、水下潜艇、鱼雷等螺旋桨的梢涡空化起始进行精确预报，对螺旋桨设计中空化起始航速的预测和评估具有重要作用，可有效减少设计成本和设计周期，具有强大的实用性。该方法包括下列步骤：
2、(1)连续相计算。完成船体和螺旋桨建模、计算域及网格划分、湍流模型及计算参数设定，采用大涡模拟方法对计算域的欧拉流场进行仿真计算，获得艇尾流场速度、压力、压力梯度等信息，利用q准则确定梢涡形成的主要区域；
3、(2)离散相计算。采用基于拉格朗日框架下的气泡动力学模型，并对其重要参数进行修正，完成空化气核布置、计算设置；在连续相计算的结果上，基于修正后的气泡动力学模型计算离散相(空化气核)的运动和生长状态，统计初生空化泡数量；
4、(3)梢涡空化起始判别。基于本发明提出的梢涡空化起始判别准则得到螺旋桨梢涡空化起始空泡数σj。
5、作为进一步优选地，在步骤(1)中，连续相计算包括以下步骤：
6、(1-1)三维建模及计算域划分。在专业的几何建模软件中设计船体及螺旋桨三维模型，并划分计算域：计算域设置为长方体，速度入口和压力出口距离船体前缘分别为l和3l，l代表船长，侧面边界距离螺旋桨中心的距离为l。计算域分为两部分：包含螺旋桨的旋转区域和静态外区域，旋转域设置为圆柱体，直径为2d。
7、(1-2)网格划分。将几何模型导入网格划分前处理软件中，采用滑移网格对静止域和旋转域进行网格划分，旋转域和静止域之间的数值传递通过交界面进行，为保证数值传递精度，在交界面两侧划分一层边界层网格，使得两侧网格大小完全一致。整个计算域主体采用切体正交网格，并在叶片表面设置多层边界层以确保绝大部分桨叶表面的y+≦10；梢涡涡心低压和径向较大的压力梯度是气核能否被梢涡捕获的关键，因此，在梢涡区域进行体加密以有效减小数值离散误差，其中确保网格在涡心直径上分布有16个节点。
8、(1-3)湍流模型设定。湍流模型采用大涡模拟(les)，其控制方程为：
9、
10、式中和分别为滤波速度和滤波压力。τij为sgs应力张量，定义为:
11、
12、涡流粘度模型是常用的sgs模型，该模型假定应力张量τij可以表示为解析尺度下的应变率张量和涡流粘度系数μt的组合：
13、
14、(1-4)数值计算参数设定。设定螺旋桨转速、环境压力和入流速度，确定螺旋桨无量纲参数，即进速系数(j)和空泡数(σ)；速度入口边界采用入流速度值，远场边界条件采用入流速度设定，下游压力出口界面的出口压力设置为静压力。采用适合非结构网格的simplec算法作为速度-压力的耦合方法进行计算，使用逐点gauss-seidel迭代求解离散方程，利用代数多重网格加速计算收敛，非定常计算采用滑动网格计算技术，采用二阶精度离散格式，时间步长设置为4×10-5s，每个时间步长可迭代的次数为20次。压力、动量、汽相分数、湍流动能、湍流耗散率和湍流黏性参数的亚松弛因子分别设定为：0.25、0.7、0.2、0.7。
15、(1-5)数值计算。首先开展稳态计算，之后在稳态计算结果的基础上开展基于大涡模拟(les)湍流模型的非稳态计算，获得设定工况下艇尾流场速度、压力、压力梯度等信息，其目的是为后续离散相空化气核的运动和生长计算提供外部流场信息。采采用q准则确定梢涡形成的主要区域。
16、q准则是基于速度梯度场的旋涡强度指标，使用该指标可以预测出现梢涡涡流的区域，q准则定义为：
17、
18、式中，ω和s分别表示为涡量张量和应变率张量的二范数。
19、作为进一步优选地，在步骤(2)中，离散相计算包括以下步骤：
20、(2-1)气泡脉动方程参数修正。离散相计算采用基于拉格朗日框架下的气泡动力学方程，其分别由气泡迁移方程和气泡脉动方程所描述。气泡迁移方程旨在计算气核在流场运动中的位移变化，表达为：
21、
22、式中，右边三项分别代表阻力fd、压力梯度力fpg以及体积变化力fv。rb为气核半径，ρl为欧拉场密度，p为欧拉场压力。cd为阻力系数，可由下面的经验公式表达：
23、
24、其中，reb为气核雷诺数:
25、reb＝2ρr|u-ub|/μ
26、气泡脉动方程旨在准确描述空化气核在压力场中的生长溃灭行为，通常采用经典的rayleigh-plesset(r-p)方程来求解气核在径向方向的变化，r-p方程可表示为：
27、
28、式中，r为气核半径；为气核壁面速度；为气核壁面加速度；pv为饱和蒸汽压力；s为表面张力。气核的初始压力pg0为：
29、
30、在气核的生长和溃灭过程中，水相可压缩性的影响不容忽视，因此，本发明对传统r-p方程进行修正，采用考虑水相可压缩的r-p方程控制泡溃灭过程，修正后的表达式如下：
31、
32、式中γ为比热比，pencounter为气泡中心点出的压力。
33、(2-2)空化气核布置。设置入射空化气核颗粒的初始直径为固定值，均为50μm，颗粒类型设定为惰性(inert)颗粒，颗粒边界条件设为escape，在距离桨盘面上游0.2r-1.0r的梢涡流动区域内随机释放。
34、(2-3)计算设置。离散相计算是在连续相计算结果的基础上进行的再计算过程，因此船体和螺旋桨建模、计算域及网格划分、湍流模型及边界条件设定都与步骤(1)中相同。在计算设置上，离散相模型(dpm)耦合方式设定为单向耦合模型，采用4阶runge kutta的离散格式求解离散相微分方程，离散相计算时间步长远小于连续相计算时间步长，两者相差为104级别；
35、(2-4)数值计算。采用气泡动力学模型计算离散相(空化气核)的位置和体积变化，统计初生空化泡数量。其中，初生空化泡是指当空化气核生长(直径增大)到一定阈值时，可视为初生空化泡，该阈值通常为1mm。
36、作为进一步优选地，在步骤(3)中，梢涡空化起始判别准则为本发明首创，其内容为：分析不同空泡数工况下的初生空化泡数量的变化趋势，将初生空化泡数量发生突增时的空泡数视为螺旋桨的起始空泡数σj。这是由于在高空泡数时，螺旋桨尚未空化，梢涡涡心位置的压力较高，较少空化气核生长成为初生空化泡；随着空化数的进一步降低直至螺旋桨空化起始，空化气核在低压作用下发生爆发式生长成为初生空化泡，初生空化泡的数量显著“突增”；因此，可将初生空化泡数量“突增”点判定为螺旋桨空化起始点。
37、作为进一步优选地，在步骤(2-1)中气，泡脉动方程参数修正采用c语言编写，再利用宏调用形式嵌入计算程序。
1.基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始预报方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
2.根据权利要求1所述的基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始预报方法，其特征在于，在步骤(1)中，连续相计算包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始预报方法，其特征在于，在步骤(2)中，离散相计算包括以下步骤：
4.根据权利要求1所述的基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始预报方法，其特征在于，在步骤(3)中，梢涡空化起始判别准则为本发明首创，其内容为：分析不同空泡数工况下的初生空化泡数量的变化趋势，将初生空化泡数量发生突增时的空泡数视为螺旋桨的起始空泡数；这是由于在高空泡数时，螺旋桨尚未空化，梢涡涡心位置的压力较高，较少空化气核生长成为初生空化泡；随着空化数的进一步降低直至螺旋桨空化起始，空化气核在低压作用下发生爆发式生长成为初生空化泡，初生空化泡的数量显著“突增”；因此，可将初生空化泡数量“突增”点判定为螺旋桨空化起始点。
5.根据权利要求1所述的基于欧拉-拉格朗日框架的螺旋桨梢涡空化起始预报方法，其特征在于，在步骤(2-1)中，气泡脉动方程参数修正采用c语言编写，再利用宏调用形式嵌入计算程序。
