第1章 高压气吹除压载水舱流体性能仿真分析
1.1 案例介绍
潜艇是世界各国海军重要的武器装备，它具有隐蔽性好、机动性强的特点，被广泛应用于水下侦察和突击作战。潜艇高压气吹除压载水舱是潜艇遇险等紧急情况下*有效的挽救措施，能够使潜艇快速上浮至水面。目前，国内外学者根据计算流体动力学的相关理论对高压气吹除压载水舱的过程进行了数学建模与仿真分析，研究了高压气吹除压载水舱的排水速率、压力变化、气液体积比变化等，但针对高压气吹除压载水舱工作过程中产生的剧烈气动噪声的研究还没有相关报道。随着舰艇技术的不断发展，高压空气应用于吹除压载水舱，且所采用气压不断升高，潜艇内部的气动噪声、流-固耦合作用下管道及水舱的振动噪声越来越不容忽视。在高压气吹除压载水舱系统中，输气管路及控制阀非常复杂，高压高速气流的湍流现象以及流致噪声非常明显，导致高压气吹除压载水舱工作时产生的噪声影响潜艇的技战术性能。
本章基于流体力学仿真软件ANSYS Fluent 对高压气吹除压载水舱工作过程进行数值模拟，考虑控制阀和输气管路对压载水舱流场特性的影响，研究压载水舱内气液两相界面的变化过程和水舱排水速率的变化情况。同时，研究高压气吹除压载水舱工作时的气动噪声特性，揭示高压气吹除压载水舱工作时的湍流现象与气动噪声的关联特性。高压气吹除压载水舱流场特性及气动噪声特性仿真是典型的气液两相流问题，材料参数分别设置为可压缩理想空气和液态水。在ANSYS Fluent 中选用多相流模型中的VOF(volume of fraction)模型对高压气吹除过程中压载水舱中水的自由液面进行追踪，对多相流模型采用显式(explicit)求解；选用标准 k-ε 两方程湍流模型求解流体控制方程；选用 Acoustics 模型中的Ffowcs-Williams & Hawkings 声类比法求解气动噪声，声源选项为壁面偶极子。
本章将介绍一个高压气吹除压载水舱系统的排水性能和流致噪声仿真分析的案例。通过本案例的学习，读者可以掌握如何使用Fluent 多相流模型和噪声模型。本案例中使用的计算机配置为56 核@2.2GHz 的CPU，4×128GB 的内存，完整计算至2.725s 大约需 168h。为了使读者在学习本章过程中能够快速地验证模型计算的正确性，本章分别展示了计算前4～5h 内的结果和*终结果。
1.2 物理模型
如图1-1 所示，潜艇高压气吹除压载水舱系统包括输气管路、电磁阀和压载水舱等部分。压载水舱的容积为10.34m3、出口直径为500mm，输气管路长度为8m、直径为32mm。潜艇高压气吹除压载水舱系统通过电磁阀控制高压气的通断，电磁阀阀芯的行程为9mm，动作时间为1～2s。
图1-1 高压气吹除压载水舱三维模型
1.3 网格划分
本案例使用Gambit 对三维几何模型进行网格划分，采用Interface 网格技术，分别对输气管路、电磁阀和压载水舱部分进行不同尺度的网格划分。输气管路部分采用六面体结构网格，电磁阀部分采用四面体非结构网格，压载水舱部分采用Interface 技术进行多次分割，对压载水舱入口区域进行局部加密，划分为六面体结构网格。
1. 建立几何模型
1) 打开Gambit
双击Gambit 快捷方式，弹出如图1-2 所示的对话框，设置工作目录。
图1-2 启动Gambit
2) 导入几何模型
执行“File→Import→Parasolid ”命令，弹出如图1-3(a)所示的对话框，单击“Browse ”按钮，弹出如图1-3(b)所示的对话框，选择“C:\Samples\Chapter01\Chapter01_water_tank.x_t”文件，单击“Accept”按钮关闭Select File 对话框。选择“Make Tolerant”复选框，单击“Accept”按钮，完成几何模型导入。
图1-3 导入几何模型
2. 划分几何模型区域
1) 合并实体
如图1-4 所示，执行“Operation→Geometry→Volume→Unite Real Volumes”命令，在列表中选择所有实体，单击“Apply”按钮，将模型合并为一个实体。
2) 分割实体
(1) 电磁阀区域：执行“Operation→Geometry→Vertex→Create Real Vertex”命令，建立如图1-5 所示的6 个点。
如图1-6 所示，执行“Operation→Geometry→Face→Create Circular Face from Vertices”命令，建立以(50， 0， 0)为圆心、(50， 200， 0)和(50， 0， 200)为端点的圆，再建立以(？50， 0， 0)为圆心、(？50， 200， 0)和(？50， 0， 200)为端点的圆。
如图1-7(a)所示，执行“Operation→Geometry→Volume→Split Volume”命令，在Volume 列表中选择“volume.1”，Split With 设置为“Faces (Real)”，在Faces列表中选择上述所画的两个圆面“face.50、face.51”，不勾选“Connected”复选框，单击“Apply”按钮，完成实体分割，结果如图1-7(b)所示。
(2) 压载水舱区域：如图1-8(a)所示，执行“Operation→Geometry→Face→Sweep Edges”命令，在Edges 列表中选择“edge.44”，Path 设置为“Vector”，单击“Define”按钮，弹出Vector Definition 对话框，如图所示设置，沿着Z 轴负方向，拉伸长度为2500，单击“Apply”按钮关闭对话框，再单击Sweep Edges对话框的“Apply”按钮关闭对话框，建立如图1-8(b)所示的“分割面”。然后，执行“Operation→Geometry→Volume→Split Volume”命令，在Volume 列表中选择“volume.1”，Split With 设置为“Faces (Real)”，在Faces 列表中选择上述所画的分割面“face.56”，不勾选“Connected”复选框，单击“Apply”按钮，完成实体分割。
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