基于RANS法螺旋槳轂帽鰭水動力性能數值研究

胡俊明，李鐵驪，林 焰，郭 燈

(大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

基于RANS法螺旋槳轂帽鰭水動力性能數值研究

胡俊明，李鐵驪，林 焰，郭 燈

(大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

分析研究螺旋槳轂帽鰭水動力性能，應用RANS法處理數值粘性流場，數值過程采用FORTRAN語言處理螺旋槳轂帽鰭型值點數據格式以導入GAMBIT前處理軟件進行建模。對DTMB4119槳數值計算驗證和加鰭后其安裝角對槳效率變化的影響，研究其尾流、壓力分布等狀況，結果表明，合理的安裝角明顯提高其推進效率，轂帽鰭對流經螺旋槳的流體有一定的阻滯作用，且具有降低尾流速度以減小轂渦形成和增加推力，同時產生轉向相同轉矩以提高推進性能，具有工程實用性。

RANS法；螺旋槳；轂帽鰭；水動力性能；數值模擬

轂帽鰭作為新型節能裝置于1987年由日本三井造船研制提出，它的特點是在螺旋槳尾部轂帽上安裝與螺旋槳形狀葉數相同、大小角度合適的鰭片，來降低尾流速度以減小轂渦的形成，并產生與螺旋槳相同轉矩以提高推進性能[1-3]。

傳統對敞水節能性能的研究主要依賴實驗方法，其優點是真實可靠、實用性強，但其經濟性較差。隨著計算流體力學(CFD)的發展，粘性處理數值流場和預報螺旋槳敞水性能成為現階段研究的一種重要手段，其經濟性好，數值計算結果與模型試驗結果一致，滿足工程需求。

文中基于RANS方法數值研究4119槳水動力性能，采用FORTRAN語言處理螺旋槳轂帽鰭型值點數據格式以便于GAMBIT前處理軟件進行接口，縮短建模時間，對4119槳進行數值計算驗證并進行加轂帽鰭后的水動力性能分析，研究其節能效率，為工程設計提供技術參考。

1 模型參數特征

轂帽鰭作為一種節能裝置，其鰭葉形狀和剖面形式對螺旋槳節能效率有著很大的影響，以DTMB4119槳為母型槳，其鰭葉形狀特征與槳葉相同，且考慮轂帽鰭直徑一般不超過螺旋槳直徑的33%，取轂帽鰭直徑為螺旋槳直徑的30%，槳和鰭基本參數見表1[4]。

表1 DTMB 4119 槳和鰭的基本參數

2 計算方法

2.1 控制方程

應用RANS法處理均勻來流的粘性繞流場，螺旋槳轂帽鰭以一定轉速在繞流場中旋轉，考慮流體粘性影響和不可壓縮，連續方程和雷諾平均N-S方程表達式如下。

(1)

(2)

2.2 湍流模型

RANS方程中應力項涉及脈動值和時均值的結合，為使RANS方程封閉，應基于某種假設建立相應應力表達式，使兩者聯系在一起。應用SSTk-ω湍流模型使方程封閉可解，該模型在處理粘性底層時具有比k-ε較好的穩定性， 其所依據的輸運方程[6]如下。

(3)

(4)

由SST理論推導得到湍流模型常數值為α=5/9，β=0.075，β*=0.09，σk=2.0，σω=2.0。

3 數值過程

3.1 模型建立

以槳葉的投影原理作為理論基礎，建立螺旋槳轂帽鰭三維模型，實現二維到三維坐標的轉換。葉切面形狀根據各不同半徑Ri的同軸圓柱與槳葉相交所得到，并人為處理踩點得到所需一系列葉切面型值，根據已知的螺旋槳基本參數，實現全局坐標OXYZ與局部坐標O1X1Y1Z1的轉換，其轉換關系式如下所示，推導詳見文獻[7]。

(5)

(6)

Z=Y1·sinφ+Z1·cosφ+

L·sinφ-Ri·tanθ

(7)

式中：L=L1-L2，L1為導邊至基線長度，L2為切面最厚處至導邊長度，θ為縱傾角,φ為螺距角。

跟據上述公式，采用FORTRAN語言編制槳葉和鰭葉葉面、葉背各半徑處及漿轂上型值點數據轉換格式，以特定的數據格式*.dat輸出，便于GAMBIT前處理軟件進行接口，縮短建模時間，其文件格式如下。

21 3

0.002301018 -0.008855932 -0.001048031

0.004507725 -0.007962595 0.000988912

……

15 1

-0.001198249 0.009071202 0.008667247

……

其中第一行表示有3條曲線，每條曲線由21個點組成，下面行中的數值表示X、Y、Z的坐標值。導入GAMBIT建模時，自動每經21個點坐標生成一條曲線，直至完成3條曲線的命令。因其第4條曲線坐標點數目不同，因此重新輸入坐標點數15和曲線數1，其所建模型遵循右手直角坐標系，Z軸為旋轉軸且負方向為來流方向，螺旋槳槳葉三維模型和螺旋槳轂帽鰭的整體模型見圖1。

圖1 螺旋槳模型

3.2 網格域劃分

采用分塊化網格，網格域模型見圖2。

圖2 網格及域劃分模型

其整體域為圓柱形，將其分割成3個靜止域和1個旋轉域，螺旋槳與轂帽鰭的整體模型位于旋轉域的中心，域和模型之間運動相對靜止，旋轉域直徑為2D，長度為3D，在鰭葉、槳葉、槳轂面上劃分非結構三角形網格并對其網格加密，其鰭葉面網格尺寸為0.009D，槳葉和槳轂面網格尺寸為0.015D，旋轉域柱面采用結構性的四邊形網格，網格尺寸大小為0.045D，D為螺旋槳直徑。靜止域直徑為6D，其前域和后域長度分別為2D和5D。網格形式采用結構化體網格，網格尺寸大小為0.09D，邊界條件設置見圖2。

4 數值結果分析

4.1 螺旋槳數值驗證

基于RANS法數值模擬螺旋槳敞水性能，數值計算驗證DTMB4119螺旋漿[8]，取螺旋槳轉速為600 r/min，根據來流速度的不同得到不同進速系數下的推力和轉矩，進而轉化得到推力系數kt、轉矩系數kq和敞水效率ηo。繪制螺旋槳敞水性能曲線，見圖3。

圖3 螺旋槳敞水性能

由圖3可見，kt、kq較試驗值略大，敞水效率ηo較試驗值略小，數值結果總體吻合較好，說明此方法計算螺旋槳敞水節能性能具有可行性。

分析kt、kq、ηo誤差產生的原因，由曲線看出低進速系數下kt、kq、ηo的數值結果與試驗值吻合很好，但隨進速系數增大，數值結果誤差有略為增大的趨勢，原因是在數值過程中未使用空化模型，導致空泡現象的存在，使吸力面和壓力面存在壓力差，其值大于試驗，使kt、kq存在誤差；且隨進速系數增大，空泡現象越發明顯，導致敞水效率ηo誤差增加。

4.2 轂帽鰭數值結果分析

轂帽鰭作為一種節能裝置，鰭葉形狀、剖面形式、安裝角度均對螺旋槳效率產生影響，文中鰭葉形狀特征與槳葉相同，重點剖析安裝角度的不同對螺旋槳推進性能的影響。用鰭葉導邊至隨邊在槳榖處的連線與旋轉軸垂線夾角來表示安裝角度。取鰭葉安裝角度分別為9°、10°、12°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，螺旋槳和轂帽鰭整體模型轉速為600r/min，進速系數J=0.1～1.0。數值結果與無鰭螺旋槳比較，得到不同安裝角度下螺旋槳轂帽鰭的敞水性能曲線推力系數kt、轉矩系數kq和敞水效率ηo的增量，見圖4。

圖4 敞水性能曲線增量

由圖4可見，在進速系數0.3，鰭葉安裝角為9°、15°時其推力系數kt、敞水效率ηo增量為負值，其余安裝角下都為正值，且10°、12°安裝角下出現峰值，而轉矩系數kq卻達到谷值。對于高進速系數1.0，所有安裝角度下推力系數kt、敞水效率ηo增量為負值，轉矩系數kq為正值，其節能效率急劇下降。在安裝角為10°、35°、40°下其效率增量普遍為正值，且40°時其大多進速系數下節能效率較10°、35°高，其節能效果達到最佳狀態。從整體效率考慮，安裝40°轂帽鰭比較符合實際應用，能達到較好的節能效果。

4.3 壓力場分析

根據數值結果的分析，取節能效率性能參數比較高的轂帽鰭安裝角度40°，進速系數0.3，分析研究螺旋槳槳葉和鰭葉表面的壓力情況，由圖5可見，槳葉葉面和葉背表面壓力情況走勢相反，葉面壓力由導邊向隨邊逐漸減小，最大值位于導邊附近，且葉面壓力大于葉背壓力，使葉背處在低壓區，形成吸力面，伴隨空泡發生的可能。由圖6可見，鰭葉葉背的壓力大于葉面壓力，與槳葉恰好相反，其效用是鰭葉在壓力差作用下產生旋轉方向與螺旋槳相同的扭矩，減小螺旋槳旋轉所需要的轉矩，有利于提高螺旋槳的推進效率[9]。

圖5 槳葉壓力云圖

圖6 鰭葉壓力云圖

4.4 尾流速度場分析

為進一步研究轂帽鰭對節能效率的影響，研究其作用機理，取具有良好節能性能的轂帽鰭安裝角40°、進速系數0.3情況下的尾流速度場做詳細分析，包括軸向速度、徑向速度。軸向距離取x/R=0.115 33，R為螺旋槳半徑，繪制速度等值線見圖7、8。

圖7 軸向速度等值線

圖8 徑向速度等值線

軸向流速的大小影響螺旋槳推力的大小，方向與推力相反，基于動量理論得到螺旋槳所受推力等于流經槳葉流體的動量變化。由圖7可見，在槳轂附近，有鰭螺旋槳其軸向速度低速區明顯大于無鰭情況，說明加裝鰭葉后流經槳葉流體的動量變化變大，推力增加，提高了推進性能。

沿螺旋槳半徑方向的速度為徑向速度，徑向速度產生梢渦與榖渦。由圖8可見，加鰭后，在鰭葉附近出現小面積的正負速度區且面積相當，比較無鰭情形，正負高速區域面積變小，低速區域面積變大，正負面積區域趨于相等，一定程度上減少了轂渦的產生，提高了節能效率。

5 結論

1)應用FORTRAN語言處理螺旋槳轂帽鰭型值點數據轉換格式，實現GAMBIT前處理軟件建模接口，縮短建模時間，提高數值效率。

2)數值驗證DTMB 4119槳計算結果，比較鰭葉不同安裝角對節能效率的影響，給出本槳效率增量較高的鰭葉安裝角為40o，驗證了此方法研究螺旋槳轂帽鰭的敞水節能性能的可行性。

3)基于壓力場分析，鰭葉葉背的壓力大于葉面的壓力，與槳葉相反，鰭葉在壓力差的作用下會產生與螺旋槳旋轉方向相同的轉矩，使螺旋槳旋轉所需轉矩減小，提高螺旋槳的推進效率。

4)對軸向速度和徑向速度的研究分析表明，轂帽鰭對流經螺旋槳的流體有一定的阻滯作用，使其流經槳葉流體的動量變化變大，推力增加，并在一定程度上減少了轂渦的產生，提高了推進性能和節能效率。

[1] 大內一之,于學禮.新型節能裝置——螺旋槳槳轂帽鰭整流鰭的開發[J].船舶，1992(3)：12-19.

[2] 王 超.螺旋槳水動力性能、空泡及噪聲性能的數值預報研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[3] 黃國富,馬 艷,辛公正,等. 螺旋槳與毅帽鰭的優化匹配設計[C]//第二十三屆全國水動力學研討會暨第十屆全國水動力學學術會議文集，西安，2011.09. 中國出版社，2011：411-416.

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[6] MENTER F R, KUNTZ M, LANGTRY R. Ten years of industrial experience with the sst turbulence model[J].Turbulence, heat and Mass transfer,2003(4):35-42.

[7] 吳利紅,董連斌,徐文海. 基于MATLAB 和 PROE的螺旋槳三維建模 [J].大連海事大學學報，2011,37(2) :17-20.

[8] KO YAMA K. Comparative calculations of propeller by surface panel method-workshop organized by 20th IT-TC propulsion committee[J] . Papers of Ship Research Institute , 1993 ,15:57-66.

[9] 王 超,黃 勝,常 欣，等. 螺旋槳轂帽鰭水動力性能數值分析[J].船海工程，2009，38(6)：20-24.

Numerical Study on the Hydrodynamic Performance of PBCF Based on RANS Method

HU Jun-ming, LI Tie-li, LIN Yan, GUO Deng

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

The hydrodynamic performance of propeller boss cap fins is studied numerically, in which the viscous flow field is treated by RANS method, the data points of propeller boss cap fins are calculated by a FORTRAN program with specific data format in order to set up geometry in Gambit. The DTMB 4119 propeller is calculated and the results are compared with the tests. The propulsion efficiency with different fix angles of fins are studied, the changes of wakes and pressure distribution are observed. The results show that a reasonable installation angle of fins significantly improve the efficiency of the propulsion, the propeller boss cap fins has a lower wake speed to reduce the hub vortex and increase the thrust, while producing the same torque to improve propulsion performance and with engineering practicality.

RANS method; propeller; propeller boss cap fins; hydrodynamic performance; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.013

2014-07-24

國家公益性行業科研專項(201003024);國家自然科學基金(51209034)

胡俊明(1985-),男，博士生

U661.3

A

1671-7953(2015)01-0052-05

修回日期：2014-08-14

研究方向:船舶與螺旋槳水動力性能

E-mail:Junm251314@163.com