海洋異物接近對導管螺旋槳服役性能影響研究

葉曉明，孔維文，熊曉飛，楊文玉

(1. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；3. 數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

海洋異物接近對導管螺旋槳服役性能影響研究

葉曉明1，孔維文1，熊曉飛1，楊文玉2,3

(1. 華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074；2. 華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074；3. 數字制造裝備與技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

螺旋槳是目前船舶及海洋裝備重要推進裝置，其工作可靠性及服役性能對我國海洋戰略的實施具有非常重要的意義。復雜海洋環境下螺旋槳服役性能除受到風、浪、流等環境因素影響外，還受到周圍其他海洋異物的影響，進而引起螺旋槳載荷特性發生突變。本文基于計算流體力學基礎理論，建立導管螺旋槳水動力學數值仿真模型。將海洋異物接近過程簡化為準定常過程，分析不同接近距離對導管槳水動力性能的影響。基于流固耦合理論，將水動力學載荷施加在槳葉表面，獲得不同接近距離時槳葉應力、應變的變化特性。研究結果表明：海洋異物的接近會對導管槳水動力學特性產生較大的影響作用。當異物接近距離為 0.01m時，導管槳推力將增加 11.74%，扭矩增加 12.73%，槳葉最大應力值增加 32.06%，最大形變量增加 30.28%。本文研究工作對導管槳服役性能評估及疲勞壽命預測具有非常重要的參考意義。

導管螺旋槳；計算流體力學；水動力學；流固耦合；應力/應變

0 引 言

螺旋槳是目前船舶與海洋裝備應用最為廣泛的推進裝置。螺旋槳服役性能除受風、浪、流等復雜海洋環境影響外[1]，還會受到其他海洋異物的影響，如海洋垃圾、海洋生物等。特別是在結冰海域航行的船只，螺旋槳附近水域長期漂浮著冰塊[2]，這會對螺旋槳工作性能產生一定的影響。據相關文獻研究，當冰塊接近螺旋槳且冰槳間距較小時會形成一定的阻塞效應。此時，槳盤面進速系數因冰塊阻塞而降低，槳葉攻角增大，螺旋槳推力、扭矩增大[3]。海洋異物接近屬于螺旋槳工作過程中的極端工況。研究此類工況下螺旋槳槳葉的力學性能及變化特點，可對極端工況下槳葉可靠性及疲勞壽命進行更為全面地評價。

本文以某型導管槳為研究對象，建立水動力學數值分析模型。將海洋異物接近過程簡化為準穩態過程，分析不同接近距離對導管槳水動力性能的影響[4-6]。在此基礎上，建立槳葉表面壓力分布與槳葉結構響應之間的單向流固耦合數值模型[7-8]，研究異物接近過程中槳葉應力、應變變化特性。本文研究工作對提高復雜海洋環境下螺旋槳槳葉可靠性評估及疲勞壽命預測精度具有重要的理論意義。

1 基礎理論

1.1 流體力學基礎理論

根據流體力學連續介質條件假設，不可壓縮粘性流體流動的控制方程主要有質量守恒方程（即連續性方程）和動量守恒方程（即 N-S 方程）。

1）連續性方程

2）動量方程

式中：u，υ，w 分別為 3 個方向上的速度分量；ρ 為流體密度；p 為流體壓力；ν 為流體運動粘度；fx，fy，fz為單位質量體積力。

對于幾何形狀較為簡單的流場，將上述方程組進行簡化可獲得解析解。而在實際大多數情況下，方程組求解一般采用數值離散方法，如有限體積法（FVM）、有限差分法（FDM）等。其中，有限體積法是目前 CFD 領域使用最廣泛的數值離散方法。其特點是針對積分形式的 N-S 方程，能夠適用于具有各種類型的非結構網格，所以在幾何結構較為復雜的流場求解中具有較大優勢。其基本思路是：首先是計算域的離散化，即網格劃分，并使每個網格點的周圍都有一個互相不重復的控制體積。將需要求解的微分方程（即控制方程）分別對每一個控制體積積分，從而得到一組離散方程。進而對該離散方程組進行求解，獲取計算域內的壓力、速度分布等計算結果。

1.2 流固耦合計算基礎理論

研究服役過程中槳葉應力、應變特性，就需要應用流固耦合理論。流固耦合理論主要是研究可變形固體在流體作用下的各種力學行為以及固體形變對流場特性的影響。

流固耦合計算遵循最基本的物理量守恒原則，即在固液兩相交界面處應滿足流體與固體應力（τ），位移（d），熱流量（q），溫度（T）等變量相等或守恒，即滿足以下方程[9]：

式中：下標 f 表示流體，下標 s 表示固體。

根據耦合機理不同，流固耦合計算大致可以分為2 種類型：

1）第 1 類流固耦合問題是指耦合作用僅僅發生在固液兩相交界面上，方程上的耦合由兩相耦合面上的平衡及協調來引入，如氣動彈性、水動彈性等。

2）第 2 類耦合問題的特征是兩域部分或全部重疊在一起，需根據具體的物理現象來重新建立描述該流固耦合現象的控制方程[9]。

本文所采用的方法屬于第 1 種類型，采用流固耦合分離解法來進行求解。不需要重新建立描述耦合現象的控制方程，而是在不同求解器中按照一定的順序分別求解流體控制方程和固體控制方程，通過流體和固體交界面進行數據交換。分離解法的計算原理決定了其在某些方面的缺點，比如時間滯后性和耦合界面能量不完全守恒。但這種算法能夠最大化地利用已經相當成熟的計算流體力學和計算固體力學方法及計算程序。

2 數值建模

2.1 幾何模型建立

本文以某型導管槳為研究對象，分析海洋異物接近對該導管槳性能的影響。該型導管槳槳葉直徑為3 300mm，4 葉左旋槳，主要幾何結構尺寸見表1，幾何模型如圖1 所示。

表1 導管螺旋槳幾何尺寸Tab. 1 Geometric dimension of duct propeller

圖1 導管槳三維幾何模型Fig. 1 3Dmodel of duct propeller

將海洋異物簡化為長 800mm，直徑 500mm的圓柱體。異物初始位置離螺旋槳吸力面距離 d=0.5m，其中心線與槳轂中心線平行，位于槳葉 0.7 R 處。整個計算幾何模型如圖2 所示。將海洋異物接近這一非定常過程簡化為準定常過程，即分析不同接近距離 d 對導管螺旋槳水動力學性能的影響。本文分別取接近距離 d=0.5m，0.3m，0.2m，0.1m，0.05m和 0.01m。

2.2 計算域及網格劃分

采用多坐標系（MRF）方法建立計算域模型，即將整個計算域分為外部靜止不動的靜止域；內部包裹槳葉及輪轂并通過隨體坐標系旋轉的旋轉域[10]。其中，靜止域包括了導管、立柱及異物等部分。左側為水流入口，右側為水流出口，計算域的劃分如圖3所示。

為減少計算域邊界對水動力學計算結果的影響，提高計算結果準確性，計算域的大小與螺旋槳直徑 D相關。整個計算域為一長 10 D、直徑為 5 D 的圓柱形區域，模擬無限大海洋環境。為使得螺旋槳尾流得到充分發展，入口面到槳葉距離取 3 D，出口面到槳葉距離為 7 D[11]。

建立計算域幾何模型后，需對其進行分區網格劃分。推進器及海洋異物表面網格采用三角形網格劃分，計算域內體網格采用四面體網格劃分。在槳葉葉梢處、導管內壁面進行網格加密，并且在槳葉和其他部件近壁面處劃分 3 層邊界層網格，如圖4 所示。整個計算模型網格單元數為 7 367 073，網格節點數為1 656 269。

圖2 海洋異物與導管槳幾何模型圖，d=0.5mFig. 2 Geometrymodel of object and duct propeller, d=0.5m

圖3 全回轉推進水動力學計算域劃分示意圖Fig. 3 Computational domain division

2.3 邊界條件及湍流模型設置

1）外部靜止域左側入口設置為速度入口邊界條件，并根據不同進速系數調整相應的來流速度；右側設為自由出口邊界條件[12]。

2）推進器各部件表面、海洋異物表面以及靜止域外部邊界，都設為流體不可穿透的壁面邊界條件Wall。

圖4 推進器表面網格劃分示意圖Fig. 4 Grid division of duct propeller

3）靜止域和旋轉域交界面設置為 Interface 邊界條件，用以交換計算數據。

4）湍流模型選用二方程模型中 RNG k-ε 湍流模型。

2.4 材料屬性

導管槳槳葉材料為鎳鋁青銅，螺旋槳服役環境為海水，計算模型中所需材料屬性參數如表2 所示。

表2 材料屬性參數Tab. 2 Material property parameters

2.5 計算工況

設定導管槳處于最大轉速 180 rpm，進速系數 J=0.3，海洋異物與槳葉距離 d 分別取 0.5m，0.3m，0.2m，0.1m，0.05m、0.01m。分析不同接近距離對導管槳水動力性能的影響。

3 計算結果分析

3.1 水動力性能計算結果

通過該數值模型求解，可得到導管槳推力、扭矩、敞水效率、槳葉表面壓力分布、流速分布及湍流強度分布等。本文主要通過槳葉推力面和吸力面壓力分布以及導管槳產生的推力、扭矩等來分析異物接近過程對導管槳服役性能的影響。

分別選取接近距離 d=0.5m、0.2m和 0.01m時槳葉吸力面和壓力面壓力分布云圖，如圖5～圖7 所示。從壓力分布云圖可知，在異物接近距離較遠，如 d=0.5m和 d=0.2m時，4 片槳葉上的壓力分布比較均勻，并未出現明顯的壓力峰值區域，說明此時海洋異物對槳葉水動力學性能的影響并不明顯。在異物距離很近，如 d=0.01m時，4 片槳葉上的壓力分布出現不均衡現象，其中一片槳葉表面形成了明顯的壓力集中區。

通過對上述計算結果分析，可知：

圖5 槳葉吸力面、推力面壓力分布云圖，d=0.5mFig. 5 Hydraulic pressure distribution on blades, d=0.5m

圖6 槳葉吸力面、推力面壓力分布云圖，d=0.2mFig. 6 Hydraulic pressure distribution on blades, d=0.2m

圖7 槳葉吸力面、推力面壓力分布云圖，d=0.01mFig. 7 Hydraulic pressure distribution on blades, d=0.01m

1）隨著海洋異物與螺旋槳接近距離 d 逐漸減小，槳葉表面壓力分布峰值逐漸增大。

2）在接近距離 d=0.01m時，可看到 4 片槳葉壓力分布出現了不均衡，在距離海洋異物最近的槳葉表面有明顯的壓力集中現象。

不同接近距離 d 時，導管槳產生的推力及扭矩如表3 所示。表中第 1 行表示無異物時的計算結果。

從表中可知，當有海洋異物接近，隨著接近距離d 逐漸減小，導管槳所提供的推力和扭矩都呈增大趨勢，如圖8 所示。

從圖中可以看到，接近距離 d 從 0.5m減小到 0.2m過程中，推力、扭矩都隨之增大，但增大的趨勢比較緩慢。在 d=0.2m之后，隨著接近距離 d 進一步減小，推力和扭矩呈現出較大的增長率。說明當異物越接近螺旋槳，對推進器性能的影響就越明顯。

對比無異物和異物接近距離 d=0.01m時導管槳產生的推力和扭矩值可知，當有海洋異物接近時導管槳產生的推力增加了 11.74%，扭矩增加了 12.73%。說明海洋異物在接近推進器的過程中，對螺旋槳性能會造成較大的影響作用。

表3 不同距離時導管槳推力、扭矩值Tab. 3 The thrust and torque of duct propeller at different approaching distances

圖8 不同接近距離時導管槳推力、扭矩變化關系Fig. 8 Variation of thrust and torque of duct propeller at different approaching distances

3.2 槳葉結構應力計算結果

通過單向流固耦合，將水動力計算得到的槳葉表面壓力分布，作為輸入量加載到槳葉的有限元模型，從而獲得槳葉結構應力、應變。計算結果如圖9 ～ 圖11所示。

從水動力學計算結果可知，在異物與槳葉接近距離較遠時，4 片槳葉上壓力分布均勻，并未出現明顯的壓力集中區，故圖9 和 圖10 中槳葉應力、應變分布也比較均勻。說明此時海洋異物對推進器的影響并不明顯。圖11 為接近距離 d=0.01m時，槳葉上應力、應變分布云圖。從圖中可明顯看到 4 片槳葉上應力、應變分布出現了不均衡。在其中一片槳葉上出現了比較明顯的應力集中區，并且此槳葉葉梢的最大形變量也較其余槳葉大。

對計算結果分析可知，在海洋異物與螺旋槳接近距離逐漸減小的過程中，最靠近異物的槳葉位置處出現壓力集中的現象。在圖11 中，當 d=0.01m時 4 片槳葉應力應變分布不均勻，最大應力與最大形變均出現在離異物最近的槳葉上。綜合來看，最大應力與最大形變值隨著距離 d 減小而呈逐步增大的趨勢，如表4所示。

圖9 槳葉應力、應變分布，d=0.5mFig. 9 Stress and strain distribution on propeller, d=0.5m

圖10 槳葉應力、應變分布，d=0.2mFig. 10 Stress and strain distribution on propeller, d=0.2m

圖11 槳葉應力、應變分布，d=0.01mFig. 11 Stress and strain distribution on propeller, d=0.01m

表4 不同接近距離時槳葉最大應力及形變量Tab. 4 Themaximumstress and strain on duct propeller at different approaching distances

圖12 不同接近距離 d 時導管槳槳葉最大應力、最大形變變化關系Fig. 12 Variation ofmaximumstress and strain on duct propeller at different approaching distances

從表中數據可知，在無海洋異物情況和海洋異物接近距離 d=0.5m時，兩者最大應力和最大形變值相差不大。可以認為此時海洋異物的存在對與槳葉應力、形變無明顯影響。隨著接近距離 d 值逐漸減小，槳葉上最大應力和最大形變值都呈上升的趨勢，其變化趨勢如圖12 所示。

從圖中可知，在接近距離 d 從 0.5m減為 0.2m過程中，最大應力與最大形變值逐漸增大，但增加趨勢比較緩慢。在 d=0.2m以后，最大應力及最大形變值都出現一個急劇增大的過程，這與槳葉推力及扭矩變化規律相一致。說明當海洋異物與槳葉距離越近，其影響作用越明顯。

在無異物的情況下，槳葉最大應力值為 46.1mPa，最大形變量為 3.83mm。在距離 d=0.01m時，槳葉的最大應力值為 62.6mPa，最大形變量為 4.99mm，最大應力值增加 32.06%，最大形變量增加 30.28%。說明當有異物靠近螺旋槳，對槳葉表面上應力、形變均有較為明顯的影響。

4 結 語

本文以某型導管槳為研究對象，通過將海洋異物接近螺旋槳這一非定常過程簡化為準定常過程，研究了此過程中螺旋槳的水動力性能變化。通過單向流固耦合建立槳葉表面載荷與槳葉結構響應之間的數據傳遞。本文主要研究結論如下：

1）當海洋異物與螺旋槳距離較遠時，對螺旋槳水動力性能影響不大。但隨著兩者接近距離的減小，槳葉表面壓力峰值逐漸增大，并在離異物最近的槳葉表面出現明顯的壓力集中現象。

2）隨著與異物距離的減小，導管槳產生的推力和扭矩呈增大趨勢，且接近距離越小，其變化率越大，即異物的影響效果越明顯。

3）槳葉表面的最大應力、最大應變值隨著異物的接近，也呈增大的趨勢，且兩者距離越小，其變化率也越大，即異物的影響效果越明顯。

4）在無異物和異物接近距離 d=0.01m兩種情況下，導管槳產生的推力、扭矩值相差達到 10% 以上，槳葉最大應力、最大應變值相差達到 30% 以上。

本文研究結果表明，當發生海洋異物接近螺旋槳這一極端工況時，螺旋槳性能會發生較為顯著的變化，這對螺旋槳可靠性分析與疲勞壽命預測具有重要的參考意義。

[1]王國強, 董世湯. 船舶螺旋槳理論與應用(第 2 版)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2007.

[2]HU Z K, GUI H B, XIA P P, et al. Dynamic response analysis of the collision between ice and propeller at high speed[C]//Proceedings of the Society for Underwater Technology Technical Conference (SUTTC2013). Shanghai: Society of Underwater Technology, China Branch, China Ship Scientific Research Center, 2013: 72-76.

[3]孫文林, 王超, 康瑞, 等. 冰區航行船舶推進系統設計的若干考慮[J]. 船舶工程, 2015, 37(9): 31-36. SUN Wen-lin, WANG Chao, KANG Rui, et al. Several considerations for design of ice-class propulsion system[J]. Ship Engineering, 2015, 37(9): 31-36.

[4]李巍, 王國強, 汪蕾. 螺旋槳粘流水動力特性數值模擬[J]. 上海交通大學學報, 2007, 41(7): 1200-1203, 1208. LI Wei, WANG Guo-qiang, WANG Lei. The numerical simulation of hydrodynamics characteristic in propeller[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2007, 41(7): 1200-1203, 1208.

[5]王超, 黃勝, 解學參. 基于CFD方法的螺旋槳水動力性能預報[J]. 海軍工程大學學報, 2008, 20(4): 107-112. WANG Chao, HUANG Sheng, XIE Xue-shen. Hydrodynamic performance prediction of some propeller based on CFD[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2008, 20(4): 107-112.

[6]LAVINI G, PEDONE L, GENUZIO D H. Application of fully viscous CFD codes in the design of non cavitating propellers for passenger vessels[C]//First International Symposiumonmarine Propulsors (SMP09). Trondheim, Norway: SMP, 2009.

[7]李堅波, 王永生, 孫存樓. 大側斜螺旋槳槳葉應力分析[J]. 中國造船, 2009, 50(4): 1-6. LI Jian-bo, WANG Yong-sheng, SUN Cun-lou. Stress analysis of highly skewed propeller blades[J]. Shipbuilding of China, 2009, 50(4): 1-6.

[8]朱俊飛. 導管螺旋槳水動力分析與優化研究[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2013.

[9]宋學官, 蔡林, 張華. ANSYS流固耦合分析與工程實例[M].北京: 中國水利水電出版社, 2012.

[10]孫存樓, 王永生, 盧曉平. CFD在船舶兩種不同推進器中的應用研究[J]. 武漢理工大學學報, 2008, 32(3): 435-438. SUN Cun-lou, WANG Yong-sheng, LU Xiao-ping. Research on the application of CFD to two differentmarine propulsors[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2008, 32(3): 435-438.

[11]TAMURA Y, NANKE Y,mATSUURAm, et al. Development ofahigh performance ducted propeller[C]//International tug Conference (ITS) Convention and Exhibition 2010. Vancouver, Canada: ITS, 2010.

[12]馬艷. 導管螺旋槳的水動力性能分析與設計優化[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2010.

Research on the influence of the service performances of the duct propeller in the approaching process of the undersea object

YE Xiao-ming1, KONG Wei-wen1, XIONG Xiao-fei1, YANG Wen-yu2,3
(1. School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. School ofmechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. State Key Laboratory of Digitalmanufacturing and Equipment Technology, Wuhan 430074, China)

At present, the propeller is themost important propulsion systemof ship andmarine equipment. Its working reliability and service performance has the important influence on the implementation of ourmarine strategy. The service performance of propeller has been influenced by some undersea objects such asmarine rubbish, large-scalemarine fish and so on, in addition to the surroundingmarine circumstances (wind, wave and current), which caused the change of propeller's load characteristics. In this article, the hydrodynamics simulationmodel of duct propeller was established, based on the basic theory of computational fluidmechanics (CFD). The unsteady process of the objects'moving near to the propeller was simplified asaquasi-steady process, then the variation of hydrodynamic performance of propeller was analyzed at different distances between the blade and undersea objects. Based on the fluid-structure interaction (FSI) theory, the hydrodynamic pressure distributions were applied into the propeller FEMmodel, the stress distribution and deformation characteristics during the approaching process were obtained. The results show that when the approach distance reduced to 0.01m, the thrust of the duct propeller has increased 11.74%, the torque has increased 12.73%, themaximumstress has increased 32.06% and themaximumdeformation has increased 30.28%. The research in this article has the important significance in service performance evaluation and fatigue life prediction of duct propeller.

duct propeller；CFD；hydrodynamic；fluid-structure interaction；stress/strain

U664.33

：A

1672 - 7619(2016)10 - 0034 - 07

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.010.007

2016 - 02 - 18；

2016 - 03 - 29

國家973計劃資助項目(2014CB046704)；國家科技支撐計劃課題資助項目(2014BAB13B01)

葉曉明(1975 - )，男，博士，b