(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111407463.6 (22)申请日 2021.11.24 (71)申请人 浙江大学 地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 林渊　郭进　黄豪彩　陈鹰　 孙琪轩　周航　胡晓辉　 (74)专利代理 机构 杭州中成专利事务所有限公 司 33212 专利代理师 周世骏 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 119/14(2020.01) G06F 113/08(2020.01) (54)发明名称 一种碟形水下直升机外形的CFD仿真优化及 验证方法 (57)摘要 本发明涉及水下航行器外形优化及水动力 验证技术， 旨在提供一种碟形水下直升机外形的 CFD仿真优化及验证方法。 包括： 建立仿真域模型 和简化的三维模型； 对模型的外形进行局部修 改， 然后再次获取其表面的瞬态阻力数据， 并与 优化前的数据进行比较； 根据比较结果判断外形 优化的效果， 以确定是否需要进一步优化； 按直 升机尾部优化的直线轮廓与原轮廓相切点不断 上移的原则对模 型的外形进行逐步优化； 直至针 对最终模型进行水动力测试时， 能在任意x轴方 向上达到最佳降阻效果， 且在相应的y轴、 z轴方 向上达到最佳稳定效果。 本发明提出了水下直升 机局部优化的方法， 并通过设计简单的水下直升 机尾部流速实验来验证 外形优化方案的合理性。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 114662209 A 2022.06.24 CN 114662209 A 1.一种碟形 水下直升机外形的CFD仿真优化方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： (1)在Fluent  CFD软件中建立仿真域模型和完全碟形水下直升机简化的三维模型， 水 下直升机居中放置， 选择 水为流体介质； 根据水 下直升机表面的瞬态阻力选择湍流模型； (2)对水下直升机模型的外形进行局部修改， 然后再次获取其表面的瞬态阻力数据， 并 与优化前的数据进行比较； 根据比较结果判断外形优化的效果， 以确定进一 步优化的方向； (3)重复步骤(2)， 按直升机尾部优化的直线轮廓与原轮廓相切点不断上移的原则 对水 下直升机模型的外形进 行逐步优化； 直至针对最 终模型进行水动力测试时， 能在 任意x轴方 向上达到最佳降阻效果， 且在相应的y轴 、 z轴方向上达 到最佳稳定效果。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于， 所述步骤(1)中， 假设碟形水下直升机的直 径为D， 所述仿 真域在沿水流方向上的长度为10D； 水下直升机距离流体入口为3D， 在垂 直于 水流方向上的宽度及深度的尺寸都为5D。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤(1)具体包括： (1.1)将仿真域模型导入ICEM软件中进行六面体结构化网格的划分， 并在水下直升机 的周围建立内部流域以划分边界层 网格； 将整个流场域划分四种 数量的网格， 并保证相邻 数量的网格增量 不小于20％； (1.2)将划分好的数量最小的网格导入到Fluent  CFD软件中； 选择双精度模式， 求解器 类型为基于 压力模式， 将计算模式选择为瞬态模型， 选择 水为流体介质； (1.3)将仿真域模型的进口边界条件设置为2m/s的速度入口， 出口边界条件设置为0Pa 的压力出口， 水 下直升机的表面及壁 面边界条件设置为 绝热壁面、 无滑移边界； (1.4)选择Standard  k‑e与RNG k‑e湍流模型， 并作对比； (1.5)在水下直升机的x、 y、 z三个轴向上建立监视器， 记录表面的瞬态阻力随时间 的变 化情况； (1.6)在完成网格数量最少的仿真计算后， 将其他三个数量的网格导入Fluent软件中 并重复步骤(1.2)至步骤(1.5)； (1.7)将四种网格数量及两种湍流模型得到的总共八组仿真结果， 导入到Origin软件 中进行作图分析； 以x轴方向的时均阻力为标准对网格数量进行研究， 若时均阻力没有稳 定， 则继续增加网格数量并重复步骤(1.2)至步骤(1.5)； 当时均阻力稳定后， 以该网格数量 下的y向侧向阻力为标准对两种湍流模 型进行比较分析， 从而确定最 终使用的CFD 计算网格 数量及湍流模型。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤(2)具体包括： (2.1)随机选择水下直升机轮廓上下对称的两个点， 将两点之间的圆弧线更改成直线， 该直线与原来的轮廓相切； (2.2)根据优化后的水 下直升机， 建立新的仿真域模型和水 下直升机简化三维模型； (2.3)将新的模型导入到ICEM软件中划分网格； 将该网格导入到Fluent软件中， 选择双 精度模式， 求 解器类型为基于 压力模式； 将计算模式选择为瞬态模型， 选择 水为流体介质； (2.4)将仿真域模型的进口边界条件设置为2m/s的速度入口， 出口边界条件设置为0Pa 的压力出口， 水 下直升机表面及壁 面边界条件设置为 绝热壁面、 无滑移边界； (2.5)根据水 下直升机表面的瞬态阻力选择湍流模型； (2.6)在新的水下直升机模型的x、 y、 z三个轴向上建立监视器， 记录表面的瞬态阻力随权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114662209 A 2时间的变化情况； (2.7)将步骤(2.6)得到的阻力结果导入到Origin软件中进行作图分析， 并与步骤 (1.7)中优化前的阻力结果进行对比； 具体地， 根据x轴方向上的阻力变化来判断优化措施 是否有降阻效果， 根据y轴、 z轴 方向上的侧向力变化来判断优化措施是否有提高稳定性效 果， 综合考虑判断结果后确认下一 步优化的方向。 5.根据权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 所述 步骤(3)中包括： (3.1)对最终优化的水下直升机建立仿真域模型， 并使用ICEM软件划分网格； 将该网格 导入到Flu ent软件中， 选择双精度模式， 求解器类型为基于压力模式； 将 计算模式选择为瞬 态模型， 选择 水为流体介质； (3.2)将仿真域模型的进口边界条件设置为2m/s的速度入口， 出口边界条件设置为0Pa 的压力出口， 水 下直升机表面及壁 面边界条件设置为 绝热壁面、 无滑移边界； (3.3)根据水 下直升机表面的瞬态阻力选择湍流模型； (3.4)在新的水下直升机模型的x、 y、 z三个轴向上建立监视器， 记录表面的瞬态阻力随 时间的变化情况。 6.基于权利要求1所述碟形水下直升机外形的CFD仿真优化方法的验证方法， 其特征在 于， 是利用CFD 仿真优化过程中获得的碟形水下直升机的最初状态、 中间过渡态和最 终优化 状态的模型 数据， 制作成缩尺比模型后进行实验 验证； 具体包括以下步骤： (1)利用模型数据和3D 打印技术， 制作碟形水下直升机的最初状态、 中间过渡态和最终 优化状态的缩尺比模型， 然后分别对各模型进行实验； (2)选择naca标准翼型作为缩尺比模型与水槽之间的连接结构， 以naca翼型的迎流面 积较小的一侧朝着流向； (3)将模型安装在水槽内的居中位置， 注水并使水深为水 下直升机厚度的8倍； (4)将ADV流速仪安装在距离水下直升机尾部设定尺寸的位置， 测量水下直升机尾部的 多个设定点处的流速； (5)开启水槽的进水阀和出 水阀， 稳定一段时间后， 将水槽中的流速控制在0.6m/s； (6)建立ADV流速仪与电脑之间的通信， 获取各点的流速数据， 通过Origin软件对流速 结果进行作图分析； 通过优化前后缩尺比模型尾部流速的大小以及流速的波动情况， 判断 外形优化方向的正确性。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114662209 A 3