實尺度導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能數(shù)值模擬

陳天福 王永生 龐之洋

（海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

0 引言

至今，人們己經(jīng)對螺旋槳做了很多深入的研究，致力于設(shè)計出具有更高效率、較小振動及更為安靜的螺旋槳。隨著研究的深入，開發(fā)出了一些在不同方面具有優(yōu)勢的特種推進器，導(dǎo)管螺旋槳就是其中一個。目前人們對導(dǎo)管螺旋槳水動力性能的研究方法主要有3種：一種是基于勢流理論的理論研究，一種是試驗研究，另一種是隨著計算機迅速發(fā)展而新興的計算流體力學(xué)方法［1－2］。

崔立新使用誘導(dǎo)速度來考慮螺旋槳與導(dǎo)管的相互干擾，基于勢流理論對Ka4系列導(dǎo)管槳進行敞水性能計算，分析了進速系數(shù)對導(dǎo)管上的壓力分布情況及其本身產(chǎn)生的附加推力的影響趨勢［3］。呂曉軍對導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能進行了數(shù)值模擬，得到了在不同網(wǎng)格模型和湍流模型下導(dǎo)管螺旋槳的正車敞水性能曲線［4］。但他們都是對導(dǎo)管螺旋槳的模型進行建模分析，對實尺度進行預(yù)報時會產(chǎn)生尺度效應(yīng)，司朝善等人通過對不同尺度模型敞水性能進行計算，研究了導(dǎo)管螺旋槳敞水特征隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明尺度效應(yīng)帶來的誤差可高達15．8%［5］。本文直接對導(dǎo)管螺旋槳進行實尺度建模，避免了尺度效應(yīng)的影響。

文中用商業(yè)軟件UG對某導(dǎo)管螺旋槳進行實尺度幾何建模，然后用ANSYS軟件的ICEM模塊進行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方法，將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入CFX模塊進行計算。

1 數(shù)值計算過程

1．1 物理模型

本研究對象為某導(dǎo)管螺旋槳，其主要參數(shù)由表1給出，導(dǎo)管類型為19A，幾何模型如圖1（a）所示。對于數(shù)值計算而言，光有螺旋槳的三維模型是不夠的，還需給出其計算域的幾何模型，根據(jù)相關(guān)參考文獻和經(jīng)驗，導(dǎo)管螺旋槳所在的流域設(shè)置為一個圓柱形區(qū)域，如圖1（b）所示，其長度為10倍槳葉直徑，來流方向長度為4 D，尾流方向為6 D，直徑為5倍槳葉直徑，流域進行分塊網(wǎng)格劃分。根據(jù)對稱性和旋轉(zhuǎn)周期性，導(dǎo)管螺旋槳內(nèi)部流域取為僅包含單個葉片的流體通道進行建模。

表1 螺旋槳的主要參數(shù)

1．2 網(wǎng)格及設(shè)定情況

圖1 導(dǎo)管螺旋槳幾何及計算域示意圖

由于導(dǎo)管螺旋槳幾何模型比較復(fù)雜，很難生成高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格更容易實現(xiàn)局部加密，因此對單通道進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，而外流域則較為規(guī)則，采用占資源少、精度高、映射效果好的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［6］。在計算資源足夠的情況下，充分考慮流體邊界層存在對計算結(jié)果的影響，并且槳葉、導(dǎo)管內(nèi)壁面和槳轂為實體壁面，故對其設(shè)置棱柱層，保證壁面Y＋在200以內(nèi)，將棱柱層設(shè)為8層，第一層厚度為0．05mm，厚度變化率為1．2；考慮到物體對流動的影響程度，經(jīng)過反復(fù)探索后，最終槳葉最大尺寸設(shè)置為8mm，槳轂為12mm，導(dǎo)管內(nèi)壁為10mm，并對槳葉邊緣進行加密，槳葉隨邊最大尺寸為0．8mm，葉頂為1．5mm，導(dǎo)邊設(shè)置線網(wǎng)格尺寸為1．2mm，以便更好地捕捉流動信息。參數(shù)設(shè)置完畢后，生成網(wǎng)格如圖2所示，單通道總節(jié)點數(shù)為125萬。而外域為了使網(wǎng)格盡可能模擬出真實流場，在流動劇烈的地方需進行網(wǎng)格加密，導(dǎo)管壁面第一層網(wǎng)格設(shè)置為0．05mm，對于其他位置，靠近槳轂和導(dǎo)管的地方進行適當加密，如圖3所示。

圖2 單通道網(wǎng)格

圖3 外流場網(wǎng)格

1．3 邊界條件

計算區(qū)域的邊界包括入口邊界、出口邊界、螺旋槳和槳榖及導(dǎo)管表面。具體的邊界設(shè)置為：入口邊界取為進口速度邊界，給定均勻來流的速度值，但在系泊工況時入口設(shè)為Open壓力邊界條件；出口邊界設(shè)為壓力出口，設(shè)置相對的平均靜壓為0，也是在系泊工況時設(shè)為Open壓力邊界條件；圓柱面和槳榖設(shè)置為自由滑移的壁面，即不受擾動影響；螺旋槳和導(dǎo)管表面設(shè)置為無滑移不可穿透的壁面，并加上粗糙度0．03mm；對于旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為螺旋槳的轉(zhuǎn)動速度；單通道相互之間、旋轉(zhuǎn)內(nèi)域與結(jié)構(gòu)化外域之間用界面進行匹配對接，即界面上所有節(jié)點都是兩者共有的節(jié)點，從而較好地保證了計算網(wǎng)格的連續(xù)性；旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間的動靜耦合通過設(shè)置Frozen Rotor交界面實現(xiàn)，采用GGI技術(shù)以實現(xiàn)這兩個計算域的數(shù)據(jù)耦合條件，保證其在公共邊界上的連續(xù)光滑條件。

2 數(shù)值計算結(jié)果與分析

2．1 敞水性能曲線計算結(jié)果與試驗對比

本文對定轉(zhuǎn)速n＝316r／min，螺旋槳進速J＝0～0．7（間隔0．1）進行了計算。在這里通過固定轉(zhuǎn)速、改變進速的辦法來改變進速系數(shù)J。數(shù)據(jù)處理中推力系數(shù)KTC、扭矩系數(shù)10 KQC、推進效率ηOC分別按下式計算：

計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表2所示，并繪制成圖譜（圖4）。表中下標帶C的為計算值，下標帶M的為試驗值。

表2 敞水性能對比表

圖4 敞水性能對比圖

導(dǎo)管槳的推力部分由槳葉和導(dǎo)管共同提供，在低進速系數(shù)時甚至可以貢獻總推力的一半，槳葉和導(dǎo)管推力系數(shù)與試驗值對比如表3所示。

表3 槳葉與導(dǎo)管推力系數(shù)對比表

為便于尋找規(guī)律性，對J＝0．1～0．7的各工況除進速J外對所有邊界條件均采用了相同的設(shè)置，所以J＝0．1～0．7的曲線段是光滑圓順的，具有很強的規(guī)律性。從圖4中可以看出，總體趨勢是符合敞水效率曲線的。從圖表上可看出，在J＝0～0．5之間計算所得結(jié)果與試驗獲得的敞水性能曲線吻合度較好，KTC、KQC的最大誤差分別低于6．4%和4%，而在進速系數(shù)為0．6和0．7時，誤差較大，因為此時導(dǎo)管處于負推力狀態(tài)，位于第四象限，故很難模擬準確。通過表3可以看到槳葉推力模擬得較為準確，而導(dǎo)管推力則誤差普遍較大，目前很少有文獻給出導(dǎo)管推力數(shù)據(jù)及原因分析，本文2．2節(jié)對于如何準確計算導(dǎo)管推力進行了探索。

2．2 導(dǎo)管推力計算

由2．1節(jié)可看出此種設(shè)置時計算的導(dǎo)管推力誤差較大，而導(dǎo)管主要受力為摩擦阻力和粘壓阻力，與流場和壓強分布有較大關(guān)系，分析后認為旋轉(zhuǎn)域的交界面位置對導(dǎo)管推力及槳葉推力和力矩有影響，選擇在進速系數(shù)J＝0．4的工況下交界面的位置對導(dǎo)管螺旋槳敞水性能的影響進行研究。

由于導(dǎo)管外部在實際中是沒有旋轉(zhuǎn)的，故旋轉(zhuǎn)區(qū)域的交界面只能取在導(dǎo)管內(nèi)部。筆者對交界面的位置設(shè)置了5組進行對比，如圖5所示，其中圖5（a）為前面計算敞水性能時所采用的模型，此時交界面的位置憑借經(jīng)驗設(shè)置，使其在導(dǎo)管內(nèi)面而距離槳葉足夠的距離，保證對槳葉的水動力計算準確；圖5（b）的前后交界面距中心均為200mm；圖5（c）的前后交界面距中心均為300mm；圖（d）的前交界面距中心為200mm，后交界面距中心為300mm；圖5（e）的前交界面距中心為200mm，后交界面距中心為250mm。保持網(wǎng)格數(shù)量和邊界條件設(shè)置不變，僅改變交界面位置，計算結(jié)果如表4所示。

圖5 交界面位置示意圖

從表4可以看出，交界面位置的設(shè)定對導(dǎo)管螺旋槳的模擬具有較大影響。從圖5（b）可以看出，當交界面靠近槳葉時，導(dǎo)管推力模擬比較精準，但槳葉推力與力矩則誤差較大；而交界面距離槳葉較遠時，槳葉推力與力矩模擬較為準確，但導(dǎo)管推力則產(chǎn)生較大變化；在前交界面靠近槳葉、后交界面距槳葉適中（例如e）時，槳葉和導(dǎo)管推力基本能夠滿足精度要求。這是因為導(dǎo)管槳的數(shù)值模擬不僅僅要考慮對槳葉的模擬，還需要考慮導(dǎo)管，故旋轉(zhuǎn)內(nèi)域太大時，即交界面距槳葉較遠，流體的流動情況與實際不符，旋轉(zhuǎn)的區(qū)域較長，使得對導(dǎo)管的計算不準確；當前交界面靠近槳葉、后交界面距槳葉適中時，旋轉(zhuǎn)區(qū)域比較符合實際流動情況，故對導(dǎo)管和槳葉的計算均比較準確。

表4 五組交界面結(jié)果對比

3 結(jié)語

本文通過高性能計算機直接對導(dǎo)管螺旋槳進行實尺度的數(shù)值模擬，避免了尺寸效應(yīng)帶來的誤差。從數(shù)值模擬結(jié)果來看，本文的研究工作已具備了代替部分水池試驗工作的基礎(chǔ)。CFD方法得到的定性規(guī)律是可信的，既符合流體力學(xué)規(guī)律也與水池實驗結(jié)果相一致；客觀上CFD方法得到的結(jié)果與實驗相比仍存在一定誤差，這種誤差來源于實體建模誤差和邊界條件簡化設(shè)置，而在進速系數(shù)為0．7時，此時進入第四象限，推力為負數(shù)，CFD軟件難以計算準確。同時本文對導(dǎo)管螺旋槳的旋轉(zhuǎn)內(nèi)域交界面位置進行了探索，因為時間有限，僅做了5組對比，進行了定量分析，對于具體合適的間距還未探索，對導(dǎo)管螺旋槳的內(nèi)域交界面設(shè)置有一定的參考價值。

［1］鄭小龍，黃勝，王超．基于CFD的螺旋槳定常水動力性能預(yù)報精度研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2014（12）：11－15．

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［4］呂曉軍，周其斗，紀剛，等．導(dǎo)管螺旋槳敞水性能的預(yù)報和比較［J］．海軍工程大學(xué)學(xué)報，2010（1）：24－30．

［5］司朝善，姚惠之，張楠．艇體／導(dǎo)管螺旋槳干擾特性尺度效應(yīng)數(shù)值模擬研究［J］．船舶力學(xué)，2014（11）：1312－1319．

［6］楊瓊方，郭薇，王永生，等．螺旋槳水動力性能CFD預(yù)報中預(yù)處理的程式化實現(xiàn)［J］．船舶力學(xué)，2012（4）：375－382．