基于CFD分析的調距槳水動力性能研究

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(上海漢力士船用機械有限公司，上海 201120)

可調螺距螺旋槳(簡稱為調距槳)的出現和發展，使船舶的機動性和經濟性得到了巨大的發展。調距槳可以通過液壓機構使葉片沿自身軸向轉動來改變螺距，快速實現調整推力輸出的功能，從而實現減速和倒車;同時調距槳還能保證發動機在任何工況下發出全功率[1]。因為調距槳性能優于一般定距槳，近年來發展很快。隨著計算流體力學和計算機的發展，數值模擬被越來越多的應用于調距槳的水動力性能的研究上。運用數值模擬能夠滿足調距槳的工程設計需求[2-3]。

本公司在進行調距槳開發設計伊始，使用理論設計方法計算調距槳的水動力性能，并通過實驗校核計算結果。

1 控制方程與湍流模型

1.1 控制方程

流體動力學控制方程是一組包括質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律構成的微分方程組。連續性方程和運動方程中除了未知的速度矢量和壓力外，還有密度和運動粘性系數兩個物性參量，一般說來密度和運動粘性系數也是變量，運動粘性系數主要取決于溫度，當流體在恒溫下或溫度變化不大時，運動粘性系數的變化可以忽略不計。液體的壓縮性小，忽略密度的變化。

1.2 湍流模型

湍流是空間中不規則和時間上無序的一種高度復雜的非線性的流體運動，由于湍流本身過于復雜，直到現在仍有些基本問題尚未解決[4]。本次模擬計算選用的湍流模型為標準的模型。湍流模型中的引入系數和常數按照經驗數據選取[5]。

2 計算模型的建立

2.1 調距槳模型的基本參數

調距槳計算模型來自本公司的2 300 t海事船項目，螺旋槳參數為直徑D=2.70 m;平均螺距比P/D=1.03;盤面比Ae/Ao=0.72;葉數4;右旋向。

2.2 槳葉模型的建立

在三維制圖軟件中生成曲面構造的螺旋槳數值模型，見圖1。

圖1 2 300 t海事船調距槳三維模型示意

在建模過程中使用的是直角坐標系O-XYZ，z軸為螺旋槳旋轉軸，y軸與槳葉參考線一致，x軸服從右手系。

2.3 建立計算控制域

為討論調距槳的水動力性能，需要把三維螺旋槳模型置于流場域中。選用多重旋轉坐標系(MRF)模型，假定計算域水流旋轉，螺旋槳靜止。

2 300 t海事船調距槳控制域見圖2。

圖2 2 300 t海事船調距槳控制域

本文建立4個控制域，一個為包裹螺旋槳的小旋轉控制域，其它3個大域為純來流的控制域。控制域公用的面設置為內部面，從而不影響每兩個控制域內的能量、速度和溫度等參數的交換。所有計算域都取為圓柱體，控制域的直徑為螺旋槳直徑的8倍，長度為螺旋槳直徑的16倍，這樣可以避免壁面效應的影響[6]。

3 網格劃分與邊界條件的設定

3.1 網格劃分

由于2 300 t海事船項目的調距槳槳葉及其槳轂的表面較為復雜，不規則，因此在處理螺旋槳表面的網格時采用非結構化網格，采用任意形狀的單元作為有限控制體單元。同時由于在槳葉水動性能計算過程中，導邊、隨邊、葉根等位置的重要性，在網格劃分時應對上述區域進行局部加密。槳葉表面網格示意圖和整個計算域的網格分別見圖3、4。

圖3 槳葉葉面網格示意

圖4 整個計算域網格示意

3.2 邊界條件設定

在調距槳的敞水性能計算過程中，包裹槳葉的計算區域相對某個參考坐標系作旋轉運動，其它控制域靜止，因此選用CFD軟件提供的多項運動參考坐標系模型(即MRF模型)。

采用基于壓力耦合的粘性求解器。壓力-速度耦合引用SIMPLE方法[7]。湍流模型κ-ε模型。對壓力項采用PRESTO!格式離散。動量方程其余項、湍流模型方程湍流動能和湍流耗散率項均采用二階迎風格式作離散。

在進口邊界處設置為速度進口條件，給定均勻來流的速度；出口邊界給定表壓為0，即與參考點靜壓相等；圓柱體表面上遠場外邊界同樣設為固壁邊界；公共面設置為內部面；計算域內的流體置為繞z軸以角速度n旋轉。

4 數值計算結果及分析

分別計算調距槳在螺距角等于-26°、-16°、0°、10°、16°、20°、26°、30°時的轉葉力矩(繞葉片設計參考線剛性轉動、葉片設計參考線垂直于槳軸)和敞水性能預報。

計算得到螺旋槳在某個螺距角情況下較為詳細的壓力分布等信息[8]。在設計螺距角(26°)時槳葉葉背壓力分布可以看出，在葉背靠近導邊的區域壓力較小，隨邊的壓力較大，見圖5在設計螺距角(26°)時槳葉葉面壓力分布可以看出，在葉根部位壓力最小，隨著槳葉半徑的增加壓力相應增加，在0.7R～0.8R處在導邊和隨邊周圍壓力達到最大值，到達葉梢時壓力又出現減小，見圖6。

通過CFD軟件,計算船速為18 kn，螺旋槳轉速在257 r/min時不同螺距(上述8個螺距)下的水動力性能曲線，從而求出螺旋槳的推力系數Kt、轉矩系數Kq以及敞水效率。結果見表1，

對比計算值和設計值并繪制曲線見圖7～9。

表1 不同螺距下敞水性能和轉葉力矩

注:螺旋槳轉速為257 r/min，進速為8.56 m/s

圖7 不同螺距下推力系數對比

圖8 不同螺距下轉矩系數對比

圖9 不同螺距下敞水效率對比

對比圖7～9可以看出，在-26°、-16°、0°、10°、16°、20°、26°、30°等8個不同螺距角情況下，數值計算與理論設計值之間Kt和Kq的平均誤差分別為-4.6%和-4.9%，敞水效率的平均誤差為-4.8%。計算所得的Kt曲線、Kq曲線、敞水效率曲線都小于理論計算值，但誤差幅度都控制在5%內。

總體來看，在不同螺距角的工況下所計算出的單片槳葉的推力值與設計理論值較為吻合。以設計螺距角(26°)時計算值為例，單片槳葉計算推力48.6 kN，而設計值為50.2 kN，誤差在3%左右。螺旋槳的推力系數曲線和轉矩系數曲線與設計理論值與理論值也基本一致。

5 結論

1)初步探討了采用CFD軟件對實際工程中的調距槳進行敞水性能計算的方法，通過對比設計理論值，來確定計算方法的可行性和準確性。

2)在調距槳的數值計算結果中，能夠較為清晰地觀察槳葉葉面和葉背的壓強分布，可以快速初步判斷可能產生空泡的位置，同時也為后續流固耦合計算打下基礎。

3)對本公司的2 300 t海事船工程項目的調距槳在螺距角分別為-26°、-16°、0°、10°、16°、20°、26°、30°時計算了轉葉力矩和敞水性能。得到了不同螺距角下螺旋槳的推力系數、轉矩系數，計算結果與理論設計值誤差率小于5%，因此采用此種計算方法基本能滿足工程設計需求。

[1] 盛振邦，劉應中.船舶原理[M].上海：上海交通大學出版社，2004.

[2] 吳望一.流體力學(上下冊)[M].北京：北京大學出版社，1982.

[3] 王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[4] 李福田，倪浩清.工程湍流模式的研究開發及其應用.水力學報，2001(05)：22-31.

[5] 熊莉芳，林 源，李世武.湍流模型及其在FLUENT軟件中的應用[J].工業加熱，2007，36(4)：13-15.

[6] 李 輝.基于CFD方法的全方向推進器水動力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[7] 闖振菊.CFD法研究吊艙推進器的水動力性能[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[8] 許 輝，鄒早建.基于FLUENT軟件的小水線面雙體船粘性流數值模擬[J].武漢理工大學學報.2004,28(1)：8-10.