复杂外形ROV的快速性数值计算∗

刘俊新 徐 阳

（中国船舶重工集团有限公司第七一○研究所 宜昌 443003）

1 引言

随着任务的复杂和多样化，复杂ROV得到了大力发展。由于外形复杂多样，其快速性的精确计算是一个技术难点。

目前可得到ROV阻力的方法主要有工程估算法、风洞试验法和数值计算法。工程估算法形式简单，难以对复杂外形ROV的流体动力参数进行准确计算，精度有限；风洞试验法周期长、耗资大，往往不能满足方案设计阶段的进度要求；数值计算法发展日趋成熟，特别是一些商用计算流体力学软件已越来越广泛地应用于ROV设计之中，在很多情况下，数值计算已达到与风洞试验相当的精度。

本文利用SSTk-ω湍流模型对复杂外形ROV的阻力进行数值计算，取得了较好的结果。

2 控制方程与算法

2.1 连续方程

式中：ρ表示密度；U表示速度；t为时间。

μt和αl分别表示流体动力粘度和水相的体积分数。

2.2 湍流模型

若分别以ϕ1、ϕ2、ϕ3表示k-ω模型、k-ε模型和SST湍流模型中的函数关系，则SST湍流模型可表示为

SST湍流模型考虑到湍流剪切应力的输运，不但能够对各种来流进行准确的预测，还能在各种压力梯度下精确模拟分离现象，其综合了近壁面k-ω模型的稳定性及边界层外部k-ε模型独立性的优点，它的计算模拟性能优于后两者。各系数取值为β'=0.09，α1=5/9，β1=0.075，σk1=2，σω1=2，α2=0.44，β2=0.0828，σk2=1，σω2=1.168，各个数据的取值取自参考文献［1～2］。

3 计算模型及网格划分

3.1 模型

图1给出了ROV实物模型图，从图中可以发现，ROV附体较多，结构复杂。

3.2 网格划分

计算网格的好坏直接影响到数值计算的可行性、收敛性以及计算精度。前处理软件ICEM CFD是一款成熟的网格划分软件，它向用户提供业界领先的高质量网格技术，其强大的网格划分功能可以满足CFD仿真计算的严格要求。

本文采用非结构网格，对尾流场区域进行局部加密，同时考虑流体粘性作用，加入边界层网格，并利用与湍流强度相关的Yplus对所建模型进行考核。ROV流场网格图及边界层网格如图2和3所示，数值计算网格量为978万。

图2 流场网格

图3 边界层网格

3.3 计算工况

本文在攻角-90°～90°和侧滑角-90°～90°下进行数值计算。

3.4 计算边界条件设置

1）流体介质：水；湍流模型：SST；

2）速度入口：4kn和2kn；压力出口：0Pa；

3）计算域壁面及ROV壁面：无滑移壁面。

4 计算结果及分析

ROV流体动力变化曲线如图4～图11所示。

4.1 攻角及侧滑下仿真结果

图4和图5给出了在4kn和2kn下，数值仿真结果，从图中不难发现，随着攻角的增大，ROV所受到的阻力都不断增大，整个曲线呈抛物线状，由于ROV前后不对称导致阻力曲线也不对称。

图6和图7给出了在4kn和2kn下，数值仿真结果，从图中不难发现，随着攻角的增大，ROV所受到的阻力都不断增大，整个曲线呈抛物线状。由于ROV左右称，所以阻力曲线关于0°侧滑角对称。

图4 ROV阻力随攻角的变化（V=4kn）

图5 ROV阻力随攻角的变化（V=2kn）

图6 ROV阻力随侧滑角的变化（V=2m/s）

图7 ROV阻力随侧滑角的变化（V=1m/s）

4.2 攻角及侧滑角的耦合作用下阻力的变化分析

图8 给出了ROV前进时，在不同攻角、侧滑角耦合作用下的阻力系数曲线，变化曲线呈抛物线状，由于外形复杂，抛物线出现交叉现象。

图8 ROV阻力随攻角及侧滑角的变化曲线（4kn）

图9 给出了ROV后退时，在不同攻角、侧滑角耦合作用下的阻力系数曲线，变化曲线呈抛物线状，由于外形复杂，抛物线出现交叉现象。

图9 ROV阻力随攻角及侧滑角的变化曲线（-4kn）

4.3 流场压力变化及分析

由图10、图11和图12可以看出，ROV所多个位置出现高压区，导致ROV阻力有了很大变化，使得快速性降低。

图10 攻角0°时的压力云图

图11 攻角-10°时压力云图

图12 攻角-10°时压力云图

5 结语

采用SST湍流模型，建立了复杂外形ROV的数值水洞模型，对其阻力特性进行计算，在攻角及侧滑角变化时，阻力特性呈抛物线状，ROV所受流场压力主要集中在正面和底部附体上，在此处流场压力及速度变化复杂，导致ROV阻力发生了很大变化，影响其快速性。