動網格研究導管螺旋槳變速旋轉時的推力特性

張恩偉　吳家鳴　鐘樂

摘要：導管螺旋槳作為一種高效率的推進裝置，在水下各種工況下轉速隨時間而變化，而在螺旋槳變速轉動的過程中，其周圍的流場以及導管螺旋槳的推力特性也會隨之變化。本文采用動網格與滑移網格混合技術，應用UDF對螺旋槳變速轉動進行控制，對導管螺旋槳做變速轉動時的推力特性進行模擬與分析，得到其運動過程的推力曲線變化情況。

關鍵詞：導管螺旋槳；動網格；滑移網格；推力特性；變速轉動

1.前言

導管螺旋槳是常見的螺旋槳推進器中的一種，它在負荷較重時，其效率比普通螺旋槳高，該類推進器尤其適用于漁船、拖輪、海洋工程工作船等多工況運行的水面船舶以及水下機器人等帶纜遙控潛器作為其軌跡與姿態操縱的一種推進控制機構。導管螺旋槳與承載其運動的主體在水下進行作業時，由于海況等自然條件的限制，導管螺旋槳并非按照勻速變化的角速度進行旋轉，因此研究螺旋槳變速轉動時的推力特性對提高螺旋槳推進效率以及設計具有參考意義。

現階段研究導管螺旋槳推力特性的過程中，利用最多的是相對運動的原理，設置不同的來流速度間接實現螺旋槳進速的變化。同時，在模擬導管螺旋槳敞水性能時，分別對不同轉速不同進速下的推力特性進行研究，并沒有研究轉速線性變化的情況下導管螺旋槳產生的推力變化。文獻利用數值方法研究了導管螺旋槳輸入轉速隨時間變化情況下的水動力響應特性，對比了轉速波動幅值和頻率對響應特性的影響。但是，文中對導管螺旋槳進速的設定依然采用的為相對運動的原理，即采用改變來流速度間接實現導管螺旋槳進速的改變。

本文在參考文獻動網格技術的基礎下，對導管螺旋槳變速轉動的推力特性進行研究，首先對導管螺旋槳進行模型構建，采用動網格動態層方法和滑移網格混合技術模擬導管螺旋槳的直線運動以及旋轉運動，采用UDF函數中的DEFINE_TRANSIENT_PROFILE宏對導管螺旋槳轉速進行控制。同時利用計算流體力學方法對計算域內求解N-S方程，進而計算得到導管螺旋槳的推力曲線。