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本案例采用穩態(tài)＋瞬態(tài)聯(lián)合仿真流程：

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

●  再以穩態(tài)流場(chǎng)為初場(chǎng)，采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行瞬態(tài)計算，輸出推力、扭矩等關(guān)鍵水動(dòng)力參數

●  得到周期規律變化的瞬態(tài)流場(chǎng)后，開(kāi)啟FW-H聲學(xué)模型，完成推進(jìn)器水動(dòng)噪聲仿真

關(guān)鍵物理場(chǎng)：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(lèi)型：穩態(tài)分析、瞬態(tài)分析

03 仿真模型建立

圖 1水下推進(jìn)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(jìn)器均為4.5D（D為轉子直徑），以確保流場(chǎng)充分發(fā)展。轉子周?chē)鼒A柱形旋轉域，如圖 3所示。

圖 2整體計算域

圖 3旋轉域

（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(jìn)行加密處理，網(wǎng)格總數量為8823191。

圖 4流體域網(wǎng)格

04 仿真設置

材料參數：

流體域材料為液體水，其材料屬性設置如圖 5所示。

圖 5流體材料屬性

湍流模型：

在進(jìn)行推進(jìn)器水動(dòng)力參數計算時(shí)，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，準確預測由逆壓梯度引起的流動(dòng)分離。其混合特性使其在近壁區和主流區都有良好表現，數值上相對穩健，易于收斂。具體模型參數如圖 6所示。

圖 6水動(dòng)力分析-湍流模型參數

在進(jìn)行噪聲計算時(shí)，選取DES湍流模型，該模型可以精準捕捉大尺度渦結構與壓力脈動(dòng)，準確預測推進(jìn)器噪聲。DES湍流模型具體參數如圖 7所示。

圖 7噪聲分析-湍流模型參數

仿真參數設置：

以MRF方法計算得到的流場(chǎng)結果作為初始流場(chǎng)，再使用滑移網(wǎng)格方法繼續計算得到1s內的結果。瞬態(tài)分析結束時(shí)間、時(shí)間步長(cháng)以及迭代次數設置如圖 8、圖 9所示。

圖 8瞬態(tài)分析時(shí)間控制參數

圖 9瞬態(tài)分析求解設定參數

邊界條件：

計算域左側為速度入口，右側為壓力出口，推進(jìn)器轉子設置為旋轉壁面。使用滑移網(wǎng)格計算時(shí)，需設置動(dòng)靜交界面。邊界條件示意圖如圖 10所示，邊界參數詳見(jiàn)表 1。

圖 10邊界條件示意圖

表 1邊界條件設置

水動(dòng)噪聲計算設置：

在水下推進(jìn)器周?chē)O置4個(gè)監測點(diǎn)以便于噪聲對比分析，監測點(diǎn)位置如圖 11所示。其中Rec1、Rec2位于推進(jìn)器徑向方向，Rec3、Rec4位于推進(jìn)器軸向方向。

圖 11監測點(diǎn)位置

噪聲計算選擇FW-H聲學(xué)模型，該模型適用于流動(dòng)、湍流、物體表面等因素產(chǎn)生的噪聲。具體模型參數、噪聲源、監測點(diǎn)坐標見(jiàn)圖 12。

圖 12 FW-H模型參數設置

05 仿真結果分析與精度對比

葉片壓力云圖結果：

1秒時(shí)刻轉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(guān)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。與對標軟件結果進(jìn)行對比，轉子葉片大正壓相差2.93%。

圖 13 1秒時(shí)刻轉子葉面壓力云圖

圖 14 1秒時(shí)刻轉子葉背壓力云圖

1秒時(shí)刻垂直于Z軸截面的流場(chǎng)壓力云圖如圖 15所示，從圖中可以看出，由于轉子的抽吸作用，轉子前端區域壓力低于后端，形成穩定壓差，這正是推進(jìn)器推力的主要來(lái)源。與對標軟件結果進(jìn)行對比，截面壓力大正壓相差2.02%。

圖 15 1秒時(shí)刻速度場(chǎng)云圖對比

水動(dòng)力參數結果：

瞬態(tài)分析得到的推力與扭矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖 16、圖 17所示。從水動(dòng)力參數變化曲線(xiàn)圖可以看出，推力和扭矩曲線(xiàn)呈現出明顯的周期性規律。推力在0~0.1s間出現了一個(gè)顯著(zhù)的峰值，高接近4000N，隨后快速下降，這是推進(jìn)器啟動(dòng)初期的瞬態(tài)波動(dòng)；0.1s~1s內，推力進(jìn)入周期性波動(dòng)狀態(tài)，1s內6個(gè)完整周期，每個(gè)周期對應推進(jìn)器轉子旋轉一圈，且扭矩和推力的周期完全同步，說(shuō)明水下推進(jìn)器的推力與扭矩變化具有強相關(guān)性。

圖 16推力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)                         圖 17扭矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

采用時(shí)均法計算，得到該推進(jìn)器在3m/s來(lái)流速度、轉速為400rpm的水動(dòng)力參數，如表 2所示。

表 2水動(dòng)力參數數據

推進(jìn)器流場(chǎng)動(dòng)畫(huà)：

水動(dòng)噪聲結果：

流場(chǎng)不同監測點(diǎn)的聲壓級曲線(xiàn)如圖 18所示，從曲線(xiàn)可以看出，所有監測點(diǎn)的聲壓級曲線(xiàn)均呈現“低頻高、高頻低”的共性規律。在低頻段（0~200Hz），聲壓級快速下降，是水下推進(jìn)器噪聲的主要能量集中區域，這是因為水下推進(jìn)器的機械振動(dòng)和轉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(dòng)幅度減小，這部分噪聲主要來(lái)自轉子的高階諧波，同時(shí)湍流噪聲在該頻段自然衰減。

在工程應用上，可以根據INTESIM-CFD1計算出水下推進(jìn)器的噪聲大小與分布情況，依據這些數據針對性改進(jìn)推進(jìn)器結構，有效降低噪聲的聲壓級，讓設備在水下運行時(shí)更安靜，顯著(zhù)提升隱蔽性。

（a）Rec1                                                 （b）Rec2

（c）Rec3                                              （d）Rec4

圖 18不同監測點(diǎn)的聲壓級曲線(xiàn)

06 結論

本案例基于INTESIM-CFD1軟件，建立了水下推進(jìn)器從幾何處理、網(wǎng)格劃分、模型設置到流場(chǎng)-水動(dòng)力-噪聲一體化仿真的完整流程。同時(shí)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(jìn)器設計優(yōu)化與降噪改進(jìn)，大幅縮短研發(fā)周期，降低試驗成本。隨著(zhù)應用的深入和軟件的持續迭代，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(lái)越重要的角色，為國家高端裝備的自主研發(fā)注入強勁動(dòng)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)安全與數據安全，破解“卡脖子”難題。

同時(shí)，立足深海裝備、水下航行器等新興應用場(chǎng)景持續創(chuàng )新，融合高精度湍流與聲學(xué)耦合算法，實(shí)現技術(shù)性能對標國際一流水平，為水下推進(jìn)器研發(fā)提供更精準、更高效的數字化仿真能力，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。