導(dǎo)管螺旋槳敞水性能數(shù)值計算方法研究

吳湘榮，王永生，蔣　超

（海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

導(dǎo)管螺旋槳敞水性能數(shù)值計算方法研究

吳湘榮，王永生，蔣超

（海軍工程大學(xué) 動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

為實現(xiàn)快速預(yù)報導(dǎo)管螺旋槳敞水性能曲線，利用 CFD 流體計算軟件對導(dǎo)管螺旋槳敞水試驗進(jìn)行數(shù)值模擬。將計算結(jié)果繪制成的敞水性能曲線與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，并對導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能進(jìn)行分析，驗證數(shù)值模擬計算方法的可行性與準(zhǔn)確性。分析螺旋槳敞水工作時的推力、力矩及敞水效率的變化特點發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)速的增大，導(dǎo)管產(chǎn)生的推力不斷減小并在高航速下轉(zhuǎn)化為阻力。研究該導(dǎo)管槳在系泊工況下的敞水性能指標(biāo)，對系泊工況邊界條件的設(shè)置進(jìn)行改進(jìn)。

CFD；導(dǎo)管螺旋槳；定常計算；性能分析；系泊工況

0　引　言

導(dǎo)管螺旋槳與普通螺旋槳的不同之處在于其槳的外圍多了 1 個套筒，該套筒的縱剖面為機翼型或折角型［1］，此為導(dǎo)管螺旋槳的導(dǎo)管。增加導(dǎo)管后，螺旋槳與導(dǎo)管成為一個整體，其周圍的流場與未增加導(dǎo)管時大不相同［2］。對于加速型導(dǎo)管來說，首先可使槳盤面處的水流加速，使螺旋槳工作在較大的速度場，從而提高槳的效率［3］；另一方面，由于葉稍和導(dǎo)管的間隙很小，由葉面和葉背的壓力差引起的繞流大大減小，其能量損頭也就減小。因此加速導(dǎo)管螺旋槳具有效率高、推力大、在風(fēng)浪中的性能較好等特點［4］。

螺旋槳型值表的槳葉幾何模型建立及計算域空間網(wǎng)格離散是其水動力性能 CFD 預(yù)報的2個前提步驟［5］。為了比較準(zhǔn)確地刻畫槳葉導(dǎo)邊、隨邊、葉稍及葉尖等幾何細(xì)節(jié)部分，槳葉幾何通常都是在 CAD 軟件中完成，比如 UG。網(wǎng)格劃分通常分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。從計算機資源利用率、網(wǎng)格數(shù)值耗散大小還是槳葉幾何細(xì)節(jié)的刻畫來說，六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)于四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［6-8］。上述觀點成立的前提是網(wǎng)格劃分及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要合理，這是使用軟件進(jìn)行求解的核心技術(shù)所在［9］。

陳寧、賴海清等采用圖譜估算方法對綜合舵槳系統(tǒng)的導(dǎo)管螺旋槳水動力性能進(jìn)行計算和研究，并結(jié)合導(dǎo)管螺旋槳的敞水試驗進(jìn)行驗證，將計算值與實驗值的誤差控制在 11% 以內(nèi)［10］。

1　數(shù)學(xué)模型與計算方法

螺旋槳保持一定的轉(zhuǎn)速在均勻流體中旋轉(zhuǎn)，視為槳在軸向靜止，假定其周圍為旋轉(zhuǎn)水域，螺旋槳與之保持相對靜止。本研究采用不可壓縮流體 RANS 方程作為求解旋轉(zhuǎn)流場特性的控制方程。

質(zhì)量方程：

動量方程

式中：t 為時間；ρ 為密度；μ 為流體的動力粘性系數(shù)；ui和 uj為速度分量時均值；P 為靜壓；xi和 xj分別為 i 和 j 方向上的位置坐標(biāo)；gi為單位質(zhì)量的重力；為雷諾應(yīng)力。雷諾應(yīng)力項屬于未知量，為使方程組封閉，須對應(yīng)力項作某種假設(shè)，建立應(yīng)力表達(dá)式或引進(jìn)新的湍流模型，以此把應(yīng)力項中的脈動值與時均值聯(lián)系起來；

控制方程為不可壓縮流體的連續(xù)性方程和 RANS方程，其張量形式為：

湍流模型的選取主要依靠以下幾點：流體是否可壓；建立特殊可行的問題；精度要求；計算機能力；時間限制。沒有一個湍流模型對于所有問題是通用的，本文采取 SST k-w 湍流模型對導(dǎo)管槳敞水性能進(jìn)行預(yù)報。

2　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

2.1實尺度模型的建立及網(wǎng)格劃分設(shè)定

計算選用右旋螺旋槳和 19 A 導(dǎo)管，尺寸如表1所示。

表1　螺旋槳基本參數(shù)（右旋）Tab.1　The basic parameters of propeller（right hand）

將螺旋槳及導(dǎo)管的型值表錄入 Excel 表中生成三維坐標(biāo)再導(dǎo)入到 UG 三維建模軟件生成三維幾何模型如圖1～圖3 所示，文中模型均為實尺度模型。計算域來流方向距離槳盤面 3 倍螺旋槳直徑，出流方向距離槳盤面 5 倍螺旋槳直徑，計算域直徑為 5 倍槳直徑的圓筒。

圖1　槳葉幾何模型Fig.1　The model of the blade

圖2　導(dǎo)管幾何模型Fig.2　The model of the ducted

圖3　計算外域幾何模型Fig.3　The model of Out-domain

網(wǎng)格的劃分是在 ICEM CFD 軟件中進(jìn)行。計算域分為內(nèi)外兩個域，內(nèi)部流場計算域與外部流場計算域網(wǎng)格分開劃分。內(nèi)域由于槳葉形狀比較復(fù)雜不利于網(wǎng)格劃分因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來填充，網(wǎng)格數(shù)為 960萬，節(jié)點數(shù)為 306 萬，如圖4 所示。外域因為結(jié)構(gòu)比較簡單規(guī)整因此使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)與節(jié)點數(shù)大約為 310 萬，如圖5 所示。

2.2邊界條件的設(shè)定

導(dǎo)管槳敞水性能計算中，來流方向邊界設(shè)定為速度入口，速度給定不變；出口邊界定義為壓力出口邊界；圓筒表面設(shè)為無滑移壁面；并將粗糙度設(shè)為 30 μm；旋轉(zhuǎn)水域繞軸以 316 r/min 的角速度旋轉(zhuǎn)，通過改變進(jìn)流速度來實現(xiàn)不同進(jìn)速系數(shù)；使用有限體積法離散控制方程和湍流模式，對流項和擴(kuò)散項的離散采用高階求解模式；收斂判據(jù)殘差設(shè)為 1E-06。

圖4　內(nèi)部計算域網(wǎng)格劃分Fig.4　The meshing of Internal domain

圖5　外部計算域網(wǎng)格劃分及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5　External meshing calculation domain and topology

3　敞水模擬計算結(jié)果分析

進(jìn)速系數(shù)分別取 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，螺旋槳轉(zhuǎn)速固定為 316 r/min。通過 CFX 模擬計算，得出不同進(jìn)速系數(shù)下的螺旋槳推力 KT、導(dǎo)管推力與螺旋槳力矩 KQ，根據(jù)相應(yīng)公式可計算出相應(yīng)值。

在2016年7月，Action Tesa公司與Siempelkamp公司簽訂了一條加壓成型生產(chǎn)線的訂單，訂單包括一臺8 ft×A級27.1 m的ContiRoll 8代連續(xù)壓機及精選機、冷卻及堆垛系統(tǒng)，以及一個大容量倉庫。

進(jìn)速系數(shù)：

推力系數(shù)：

力矩系數(shù)：

螺旋槳效率：

式中：T 為推力；Q 為力矩；ρ 為水的密度；n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D 為螺旋槳直徑。

根據(jù)各個進(jìn)速系數(shù)的計算值和實驗值，得出如表2所示的誤差分析結(jié)果。計算值與試驗值的擬合比較如圖6 所示。圖中KT，10 KQ和 ETA 分別為推力系數(shù)、力矩系數(shù)和效率值的計算值；KT2，10 KQ2和 ETA2分別為推力系數(shù)、力矩系數(shù)和效率值的參考值。

圖6　敞水性能計算值與試驗值的對比Fig.6　Comparison between calculations and test results of openwater performance

由圖6可知，推力系數(shù) KT、力矩系數(shù) KQ及敞水效率 ηo的計算結(jié)果與試驗結(jié)果變化趨勢基本一致，從整體來看模擬計算效果較好。分析誤差產(chǎn)生的原因，主要是計算模擬模型與實物存在一定的誤差，在模擬狀態(tài)中都是屬于理想狀態(tài)，這在實際的工程試驗中是不可能達(dá)到的；另一方面，在進(jìn)速系數(shù)比較大時，其推力系數(shù)、力矩系數(shù)的絕對值都比較小，在絕對誤差不大的情況下相對誤差也可能較大。對于內(nèi)域的網(wǎng)格劃分都使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，雖然生成網(wǎng)格比較方便，但網(wǎng)格質(zhì)量沒有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格好，而網(wǎng)格質(zhì)量的好壞很大程度上決定了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2　結(jié)果比較Tab.2　Comparison results

圖7　導(dǎo)管推力系數(shù)（KTD）計算值與試驗值的對比Fig.7　Comparison between calculations and test results of KTD

對于系泊工況即進(jìn)速系數(shù) J=0 時，因為其交界面與邊界條件設(shè)置與其他工況不同，所以應(yīng)特殊考慮。圖8為系泊工況流線圖。

圖8　系泊工況流線圖Fig.8　The stream lines of the mooring conditions

該槳后方的流線出現(xiàn)異常情況，初步猜想是因為出口邊界與槳葉間的距離太近的原因，因此接下來對其外部計算域擴(kuò)大。將四周邊界設(shè)為開放邊界opening，另一方面將外域擴(kuò)大，前后端都為 10 倍的槳盤直徑，徑向為12 倍槳盤直徑，且四周邊界都設(shè)為opening。改進(jìn)幾何如圖9所示。

圖9　系泊工況外域幾何Fig.9　The out-domain of mooring conditions

外域擴(kuò)大后其網(wǎng)格數(shù)達(dá)到 620 萬，節(jié)點數(shù)為 610萬。計算流線結(jié)果如圖10 所示。

圖10　系泊工況改進(jìn)后流線圖Fig.10　The stream lines of the mooring conditions after improvement

從流線圖及結(jié)果對比可看出，將計算域擴(kuò)大后，流線更符合實際流動，也沒有從槳葉后方的來流進(jìn)入導(dǎo)管區(qū)域。對照表 3和表 4可看出，推力系數(shù)計算結(jié)果也更加精確，誤差變小。因此按上面方式擴(kuò)大計算域能更加準(zhǔn)確地刻畫系泊工況下導(dǎo)管槳的工作情況。

表3　系泊工況改進(jìn)前結(jié)果比較Tab.3　Results compared before the improvement of mooring conditions

表4　系泊工況改進(jìn)后結(jié)果比較Tab.4　Results compared after the improvement of mooring conditions

4　結(jié)　語

本文采用數(shù)值模擬方法研究實尺度導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能，對某右旋螺旋槳和 19 A 導(dǎo)管槳組成的導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行了敞水計算，通過實驗結(jié)果驗證了數(shù)值計算方法的可靠性和準(zhǔn)確性，并對系泊工況進(jìn)行一定探索。得到以下結(jié)論：

1）利用本文中的實尺度模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置，進(jìn)速系數(shù)在 0.6 以內(nèi)時，推力系數(shù)誤差絕對值在 8% 以內(nèi)，力矩系數(shù)誤差絕對值在 2.5% 以內(nèi)，效率誤差絕對值在 6% 以內(nèi)。考慮到該導(dǎo)管槳最高效率工作點在 0.4～0.5 之間，因此該方法可以比較準(zhǔn)確的刻畫出該類導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能曲線。

2）不同航速下，導(dǎo)管作用并不相同。在低速工況下，導(dǎo)管可以產(chǎn)生較大的推力，但在高速工況下產(chǎn)生的則是阻力。

3）針對特殊的系泊工況，通過對邊界條件設(shè)置的改進(jìn)，使得計算模擬結(jié)果更加的可靠，流線也更加符合物理規(guī)律。

4）導(dǎo)管推力系數(shù)在有些進(jìn)速點誤差較大。

［1］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.上海: 上海交通大學(xué)出版社，2009: 177-188.SHENG Zhen-Bang，LIU Ying-zhong.Ship principle［M］.Shanghai: Shanghai Jiao-tong University Press，2009: 177-188.

［2］解學(xué)參，黃勝，胡健，等.導(dǎo)管槳內(nèi)部流場的數(shù)值計算［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2009，30（1）: 7-12，45.XIE Xue-shen，HUANG Sheng，HU Jian，et al.Inner flow field calculations for ducted propellers［J］.Journal of Harbin Engineering University，2009，30（1）: 7-12，45.

［3］黃建偉，張克危.導(dǎo)管槳的流動分析與性能預(yù)測［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2004，26（S）: 51-5.HUANG Jian-wei，ZHANG Ke-wei.Flow analysis and performance perdiction of ducted propeller［J］.Ship Science and Technology，2004，26（S）: 51-55.

［4］胡健，馬騁，黃勝，等.導(dǎo)管對螺旋槳水動力性能的影響［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2009，33（5）: 992-995.HU Jian，MA Cheng，HUANG Sheng，et al.Influence of duct on hydrodynamics of propelle［J］.Journal of Wuhan University of Technology （Transportation Science &Engineering），2009，33（5）: 992-995.

［5］楊瓊方，郭薇，王永生，等.螺旋槳水動力性能CFD預(yù)報中預(yù)處理的程序化實現(xiàn)［J］.船舶力學(xué)，2012，16（4）: 375-382.YANG Qiong-fang，GUO Wei，WANG Yong-sheng，et al.Procedural realization of pre-operation in CFD prediction of propeller hydrodynamics［J］.Journal of Ship Mechanics，2012，16（4）: 375-382.

［6］BERCHICHE N，JANSON C E.Grid influence on the propeller open-water performance and flow field［J］.Ship Technology Research，2008，55: 87-96.

［7］孫銘澤.螺旋槳敞水性能RANS模擬中網(wǎng)格因素的影響分析［D］.武漢: 海軍工程大學(xué)，2009.SUN Ming-ze.Propeller open water performance RANS simulation grid factors analysis［D］.Wuhan: Naval Engineering University，2009.

［8］HSIAO C T，CHAHINE G L.Tip vortex cavitation inception Scaling for an open marine propeller［C］//27th symposium on naval hydrodynamics［D］.Seoul，Korea: Curran Associates，Inc.，2008.

［9］李卉，邱磊.螺旋槳水動力性能研究進(jìn)展［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（12）: 3-8.LI Hui，QIU Lei.Development and present situation of the propeller hydrodynamic performance［J］.Ship Science and Technology，2011，33（12）: 3-8.

［10］陳寧，賴海清.導(dǎo)管螺旋槳設(shè)計和水動力性能分析［J］.造船技術(shù)，2014（3）: 10-13，23.CHEN Ning，LAI Hai-qing.Design and hydrodynamic performance analysis for ducted propeller［J］.Marine Technology，2014（3）: 10-13，23.

Research on open-water performance of ducted propeller by numerical calculation

WU Xiang-rong，WANG Yong-sheng，JIANG Chao
（College of Marine Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to predict the open-water performance of ducted propeller quickly the CFD software was used to simulate the open-water experiment of ducted propeller.According to the results of calculation，the open-water performance curves were drawn and compared with the results of experiment.The open-water performance according to the results was analyzedand it's feasibility and accuracy were verified.The parameters of propeller in open-water is analyzed which including thrusttorque and open-water efficiency.The thrust of the duct decreased with the increase of the propeller's velocity.And the performance index of the ducted propelled were researched when it worked at mooring conditions，and the method for setting the boundary condition at mooring conditions were studied.

CFD；ducted propelled；steady calculation；performance analysis；mooring conditions

U664.33

A

1672-7619（2016）06-0042-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.008

2015-08-13；

2015-09-14

吳湘榮（1990-），男，碩士研究生，研究方向為船舶推進(jìn)器技術(shù)。