實(shí)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(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢430033）

0 引言

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

崔立新使用誘導(dǎo)速度來(lái)考慮螺旋槳與導(dǎo)管的相互干擾，基于勢(shì)流理論對(duì)Ka4系列導(dǎo)管槳進(jìn)行敞水性能計(jì)算，分析了進(jìn)速系數(shù)對(duì)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(shì)［3］。呂曉軍對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能進(jìn)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(duì)導(dǎo)管螺旋槳的模型進(jìn)行建模分析，對(duì)實(shí)尺度進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生尺度效應(yīng)，司朝善等人通過(guò)對(duì)不同尺度模型敞水性能進(jìn)行計(jì)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(lái)的誤差可高達(dá)15．8%［5］。本文直接對(duì)導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行實(shí)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(duì)某導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行實(shí)尺度幾何建模，然后用ANSYS軟件的ICEM模塊進(jìn)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(jìn)行計(jì)算。

1 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

1．1 物理模型

本研究對(duì)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(duì)于數(shù)值計(jì)算而言，光有螺旋槳的三維模型是不夠的，還需給出其計(jì)算域的幾何模型，根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)和經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)管螺旋槳所在的流域設(shè)置為一個(gè)圓柱形區(qū)域，如圖1（b）所示，其長(zhǎng)度為10倍槳葉直徑，來(lái)流方向長(zhǎng)度為4 D，尾流方向?yàn)? D，直徑為5倍槳葉直徑，流域進(jìn)行分塊網(wǎng)格劃分。根據(jù)對(duì)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(gè)葉片的流體通道進(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)局部加密，因此對(duì)單通道進(jìn)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(jì)算資源足夠的情況下，充分考慮流體邊界層存在對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，并且槳葉、導(dǎo)管內(nèi)壁面和槳轂為實(shí)體壁面，故對(duì)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(duì)流動(dòng)的影響程度，經(jīng)過(guò)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(duì)槳葉邊緣進(jìn)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(dòng)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(diǎn)數(shù)為125萬(wàn)。而外域?yàn)榱耸咕W(wǎng)格盡可能模擬出真實(shí)流場(chǎng)，在流動(dòng)劇烈的地方需進(jìn)行網(wǎng)格加密，導(dǎo)管壁面第一層網(wǎng)格設(shè)置為0．05mm，對(duì)于其他位置，靠近槳轂和導(dǎo)管的地方進(jìn)行適當(dāng)加密，如圖3所示。

圖2 單通道網(wǎng)格

圖3 外流場(chǎng)網(wǎng)格

1．3 邊界條件

計(jì)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(jìn)口速度邊界，給定均勻來(lái)流的速度值，但在系泊工況時(shí)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(duì)的平均靜壓為0，也是在系泊工況時(shí)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(dòng)影響；螺旋槳和導(dǎo)管表面設(shè)置為無(wú)滑移不可穿透的壁面，并加上粗糙度0．03mm；對(duì)于旋轉(zhuǎn)部分的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行匹配對(duì)接，即界面上所有節(jié)點(diǎn)都是兩者共有的節(jié)點(diǎn)，從而較好地保證了計(jì)算網(wǎng)格的連續(xù)性；旋轉(zhuǎn)域和靜止域之間的動(dòng)靜耦合通過(guò)設(shè)置Frozen Rotor交界面實(shí)現(xiàn)，采用GGI技術(shù)以實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)計(jì)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(jì)算結(jié)果與分析

2．1 敞水性能曲線計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

本文對(duì)定轉(zhuǎn)速n＝316r／min，螺旋槳進(jìn)速J＝0～0．7（間隔0．1）進(jìn)行了計(jì)算。在這里通過(guò)固定轉(zhuǎn)速、改變進(jìn)速的辦法來(lái)改變進(jìn)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(jìn)效率ηOC分別按下式計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示，并繪制成圖譜（圖4）。表中下標(biāo)帶C的為計(jì)算值，下標(biāo)帶M的為試驗(yàn)值。

表2 敞水性能對(duì)比表

圖4 敞水性能對(duì)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(jìn)速系數(shù)時(shí)甚至可以貢獻(xiàn)總推力的一半，槳葉和導(dǎo)管推力系數(shù)與試驗(yàn)值對(duì)比如表3所示。

表3 槳葉與導(dǎo)管推力系數(shù)對(duì)比表

為便于尋找規(guī)律性，對(duì)J＝0．1～0．7的各工況除進(jìn)速J外對(duì)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(qiáng)的規(guī)律性。從圖4中可以看出，總體趨勢(shì)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(jì)算所得結(jié)果與試驗(yàn)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(jìn)速系數(shù)為0．6和0．7時(shí)，誤差較大，因?yàn)榇藭r(shí)導(dǎo)管處于負(fù)推力狀態(tài)，位于第四象限，故很難模擬準(zhǔn)確。通過(guò)表3可以看到槳葉推力模擬得較為準(zhǔn)確，而導(dǎo)管推力則誤差普遍較大，目前很少有文獻(xiàn)給出導(dǎo)管推力數(shù)據(jù)及原因分析，本文2．2節(jié)對(duì)于如何準(zhǔn)確計(jì)算導(dǎo)管推力進(jìn)行了探索。

2．2 導(dǎo)管推力計(jì)算

由2．1節(jié)可看出此種設(shè)置時(shí)計(jì)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(chǎng)和壓強(qiáng)分布有較大關(guān)系，分析后認(rèn)為旋轉(zhuǎn)域的交界面位置對(duì)導(dǎo)管推力及槳葉推力和力矩有影響，選擇在進(jìn)速系數(shù)J＝0．4的工況下交界面的位置對(duì)導(dǎo)管螺旋槳敞水性能的影響進(jìn)行研究。

由于導(dǎo)管外部在實(shí)際中是沒(méi)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(duì)交界面的位置設(shè)置了5組進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，其中圖5（a）為前面計(jì)算敞水性能時(shí)所采用的模型，此時(shí)交界面的位置憑借經(jīng)驗(yàn)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(duì)槳葉的水動(dòng)力計(jì)算準(zhǔn)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(jì)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(duì)導(dǎo)管螺旋槳的模擬具有較大影響。從圖5（b）可以看出，當(dāng)交界面靠近槳葉時(shí)，導(dǎo)管推力模擬比較精準(zhǔn)，但槳葉推力與力矩則誤差較大；而交界面距離槳葉較遠(yuǎn)時(shí)，槳葉推力與力矩模擬較為準(zhǔn)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(shí)，槳葉和導(dǎo)管推力基本能夠滿足精度要求。這是因?yàn)閷?dǎo)管槳的數(shù)值模擬不僅僅要考慮對(duì)槳葉的模擬，還需要考慮導(dǎo)管，故旋轉(zhuǎn)內(nèi)域太大時(shí)，即交界面距槳葉較遠(yuǎn)，流體的流動(dòng)情況與實(shí)際不符，旋轉(zhuǎn)的區(qū)域較長(zhǎng)，使得對(duì)導(dǎo)管的計(jì)算不準(zhǔn)確；當(dāng)前交界面靠近槳葉、后交界面距槳葉適中時(shí)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域比較符合實(shí)際流動(dòng)情況，故對(duì)導(dǎo)管和槳葉的計(jì)算均比較準(zhǔn)確。

表4 五組交界面結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)高性能計(jì)算機(jī)直接對(duì)導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行實(shí)尺度的數(shù)值模擬，避免了尺寸效應(yīng)帶來(lái)的誤差。從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，本文的研究工作已具備了代替部分水池試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致；客觀上CFD方法得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相比仍存在一定誤差，這種誤差來(lái)源于實(shí)體建模誤差和邊界條件簡(jiǎn)化設(shè)置，而在進(jìn)速系數(shù)為0．7時(shí)，此時(shí)進(jìn)入第四象限，推力為負(fù)數(shù)，CFD軟件難以計(jì)算準(zhǔn)確。同時(shí)本文對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的旋轉(zhuǎn)內(nèi)域交界面位置進(jìn)行了探索，因?yàn)闀r(shí)間有限，僅做了5組對(duì)比，進(jìn)行了定量分析，對(duì)于具體合適的間距還未探索，對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的內(nèi)域交界面設(shè)置有一定的參考價(jià)值。

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