實尺度導管螺旋槳的敞水性能數值模擬

陳天福 王永生 龐之洋

（海軍工程大學動力工程學院，湖北 武漢430033）

0 引言

至今，人們己經對螺旋槳做了很多深入的研究，致力于設計出具有更高效率、較小振動及更為安靜的螺旋槳。隨著研究的深入，開發出了一些在不同方面具有優勢的特種推進器，導管螺旋槳就是其中一個。目前人們對導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展而新興的計算流體力學方法［1－2］。

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

文中用商業軟件UG對某導管螺旋槳進行實尺度幾何建模，然后用ANSYS軟件的ICEM模塊進行網格劃分，采用結構化網格與非結構化網格相結合的混合網格劃分方法，將劃分好的網格導入CFX模塊進行計算。

1 數值計算過程

1．1 物理模型

本研究對象為某導管螺旋槳，其主要參數由表1給出，導管類型為19A，幾何模型如圖1（a）所示。對于數值計算而言，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，根據相關參考文獻和經驗，導管螺旋槳所在的流域設置為一個圓柱形區域，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，流域進行分塊網格劃分。根據對稱性和旋轉周期性，導管螺旋槳內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

1．2 網格及設定情況

圖1 導管螺旋槳幾何及計算域示意圖

由于導管螺旋槳幾何模型比較復雜，很難生成高質量的結構化網格，而非結構化網格更容易實現局部加密，因此對單通道進行非結構化網格劃分，而外流域則較為規則，采用占資源少、精度高、映射效果好的結構化網格［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果的影響，并且槳葉、導管內壁面和槳轂為實體壁面，故對其設置棱柱層，保證壁面Y＋在200以內，將棱柱層設為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，經過反復探索后，最終槳葉最大尺寸設置為8mm，槳轂為12mm，導管內壁為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，導邊設置線網格尺寸為1．2mm，以便更好地捕捉流動信息。參數設置完畢后，生成網格如圖2所示，單通道總節點數為125萬。而外域為了使網格盡可能模擬出真實流場，在流動劇烈的地方需進行網格加密，導管壁面第一層網格設置為0．05mm，對于其他位置，靠近槳轂和導管的地方進行適當加密，如圖3所示。

圖2 單通道網格

圖3 外流場網格

1．3 邊界條件

計算區域的邊界包括入口邊界、出口邊界、螺旋槳和槳榖及導管表面。具體的邊界設置為：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為Open壓力邊界條件；出口邊界設為壓力出口，設置相對的平均靜壓為0，也是在系泊工況時設為Open壓力邊界條件；圓柱面和槳榖設置為自由滑移的壁面，即不受擾動影響；螺旋槳和導管表面設置為無滑移不可穿透的壁面，并加上粗糙度0．03mm；對于旋轉部分的旋轉速度設為螺旋槳的轉動速度；單通道相互之間、旋轉內域與結構化外域之間用界面進行匹配對接，即界面上所有節點都是兩者共有的節點，從而較好地保證了計算網格的連續性；旋轉域和靜止域之間的動靜耦合通過設置Frozen Rotor交界面實現，采用GGI技術以實現這兩個計算域的數據耦合條件，保證其在公共邊界上的連續光滑條件。

2 數值計算結果與分析

2．1 敞水性能曲線計算結果與試驗對比

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

計算結果與試驗結果對比如表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

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

表3 槳葉與導管推力系數對比表

為便于尋找規律性，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置，所以J＝0．1～0．7的曲線段是光滑圓順的，具有很強的規律性。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%，而在進速系數為0．6和0．7時，誤差較大，因為此時導管處于負推力狀態，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，而導管推力則誤差普遍較大，目前很少有文獻給出導管推力數據及原因分析，本文2．2節對于如何準確計算導管推力進行了探索。

2．2 導管推力計算

由2．1節可看出此種設置時計算的導管推力誤差較大，而導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系，分析后認為旋轉域的交界面位置對導管推力及槳葉推力和力矩有影響，選擇在進速系數J＝0．4的工況下交界面的位置對導管螺旋槳敞水性能的影響進行研究。

由于導管外部在實際中是沒有旋轉的，故旋轉區域的交界面只能取在導管內部。筆者對交界面的位置設置了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驗設置，使其在導管內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。保持網格數量和邊界條件設置不變，僅改變交界面位置，計算結果如表4所示。

圖5 交界面位置示意圖

從表4可以看出，交界面位置的設定對導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，但導管推力則產生較大變化；在前交界面靠近槳葉、后交界面距槳葉適中（例如e）時，槳葉和導管推力基本能夠滿足精度要求。這是因為導管槳的數值模擬不僅僅要考慮對槳葉的模擬，還需要考慮導管，故旋轉內域太大時，即交界面距槳葉較遠，流體的流動情況與實際不符，旋轉的區域較長，使得對導管的計算不準確；當前交界面靠近槳葉、后交界面距槳葉適中時，旋轉區域比較符合實際流動情況，故對導管和槳葉的計算均比較準確。

表4 五組交界面結果對比

3 結語

本文通過高性能計算機直接對導管螺旋槳進行實尺度的數值模擬，避免了尺寸效應帶來的誤差。從數值模擬結果來看，本文的研究工作已具備了代替部分水池試驗工作的基礎。CFD方法得到的定性規律是可信的，既符合流體力學規律也與水池實驗結果相一致；客觀上CFD方法得到的結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置，而在進速系數為0．7時，此時進入第四象限，推力為負數，CFD軟件難以計算準確。同時本文對導管螺旋槳的旋轉內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，對導管螺旋槳的內域交界面設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報精度研究［J］．艦船科學技術，2014（12）：11－15．

［2］許輝，黃婧，張輪譽．CFD技術在螺旋槳敞水性能預報中的應用［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013（5）：998－1002．

［3］崔立新．導管螺旋槳的水動力性能及噪聲性能預報［D］．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2013．

［4］呂曉軍，周其斗，紀剛，等．導管螺旋槳敞水性能的預報和比較［J］．海軍工程大學學報，2010（1）：24－30．

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

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