某AU型螺旋槳的三維建模及其性能分析

安 邦,朱漢華,范世東,張喜勝,黃 鑫

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

某AU型螺旋槳的三維建模及其性能分析

安 邦,朱漢華,范世東,張喜勝,黃 鑫

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

螺旋槳性能將直接影響船舶的快速性和推進效率，文章以AU型螺旋槳為對象，運用實體建模和數值仿真等方法對螺旋槳性能進行研究。首先用MATLAB將螺旋槳的基本參數和不同半徑處葉切面二維坐標轉換為空間笛卡爾坐標，再將笛卡爾坐標值導入Solidworks中建立三維實體模型，然后在Fluent中選擇RNGk-ε湍流模型，運用CFD數值方法對螺旋槳進行性能仿真，研究不同進速下螺旋槳的推力系數、轉矩系數、敞水效率和槳葉壓力分布等參數特性變化趨勢，分析計算結果的準確性。通過對螺旋槳性能的分析，得到螺旋槳運轉時尾流場特性，為空泡、振動分析提供理論依據，為以后螺旋槳優化設計提供參考。

螺旋槳；三維建模；性能分析

自西江水系打造億噸級黃金水道以來，船舶數量和貨物總量迅猛增長。螺旋槳作為船舶上的推進器，其性能的優劣是決定船舶能否達到航行要求的關鍵因素[1]，但是現有西江干線船舶的螺旋槳特性并不能滿足航行需求，因此有必要開展船舶螺旋槳性能研究。螺旋槳槳葉是自由曲面并且是螺旋面的一部分，因其形狀復雜無法用函數形式準確的表達該類曲面，只能通過槳葉的葉切面型值，采用曲線擬合法，并經過復雜的投影換算關系才能獲得螺旋槳葉面的擬合曲面[2]。目前大多數科研人員用實驗的方法來得到螺旋槳在敞水下的水動力性能，實驗方法得到的結果雖然準確度較高，但是費時、費力、成本較高。現在螺旋槳設計理論是勢流理論，如升力線方法和面元法等，對于預報螺旋槳的水動力特性分析計算難度較高，但是隨著科技的進步尤其是計算機技術的發展，采用計算流體力學(CFD)方法來獲得螺旋槳水動力性能結果已經成為可能，能在保證計算結果精度的前提下大大縮短計算周期[3]。目前，如何提高 CFD 方法對螺旋槳黏性流場的預報精度已成為國際上的一個研究熱點。一般而言，影響 CFD方法對螺旋槳黏性流場預報精度的因素主要有兩個，一是流場建模及網格化分，二是湍流模型的選取。許多研究者對現有湍流模式的適用性做了大量的研究，并對某些湍流模型進行了適當的改進。但是，目前還沒有一種湍流模式可以適用于任何類型的問題，湍流模式的選取主要應考慮流場的流動特點、所需的精度要求和計算機硬件條件等[4]。根據螺旋槳幾何形狀和流場特性，采用一種適合螺旋槳敞水性能計算的分區混合網格劃分方案，結合不同湍流模型對螺旋槳敞水性能進行了數值仿真，對精度較高的RNGk-ε湍流模型的計算結果進行了分析。

以AU4-40型螺旋槳為研究對象，基于MATLAB編程語言，利用螺旋槳參數、槳葉不同半徑處切面二維型值點坐標得到槳葉切面的三維空間笛卡爾坐標[1]，將得到的三維坐標導入到Solidworks中進行三維建模。最后采用CFD軟件Fluent對螺旋槳的水動力性能進行仿真計算并分析結果。

1 螺旋槳三維建模

根據螺旋槳基本參數和槳葉不同半徑處切面二維形狀尺寸，建立螺旋槳曲面所有型值點空間坐標的關系式如下：

(1)

式中：X、Y、Z為型值點的三維坐標；Ri為不同截面處半徑；Y1為距母線的距離；Z1為葉背、葉面的切面縱坐標；φ為螺距角；θ為后傾角。

某AU型螺旋槳的基本參數如表1所示。

表1 螺旋槳的基本參數

運用參數與式(1)，計算0.2R～0.95R(R為螺旋槳半徑)半徑處切面的空間笛卡爾坐標，并保存為.txt文件，導入到Solidworks中，在軟件中生成的空間點連接成光滑的曲線，通過填充命令生成多個切面，如圖1(a)所示；通過放樣命令并以導邊、隨邊為導引線將多個葉切面連成光滑槳葉實體，如圖1(b)所示；最后執行陣列命令生成4葉槳，并對葉稍部分進行優化處理，在葉根部分進行倒角處理，最終模型如圖1(c)所示。

圖1 螺旋槳三維模型生成

2 螺旋槳性能仿真

2.1 螺旋槳流場仿真模型網格劃分及邊界條件設定

利用Hypermesh建立流場模型，把流體分為內部旋轉區域和外部靜止區域，外部靜止區域為直徑5D(D為螺旋槳直徑)、長度10D的圓柱體，靠近葉背的面設為進口，另一端設為出口；內部旋轉區域為直徑1.2D、長度0.8D[5]，2個區域中心軸均為槳模型的Z軸。對旋轉域使用非結構化的網格，對于流場進口處和出口處因其流域變化緩慢，所以網格適當稀疏；旋轉域網格約為67萬個。外部靜止流場較內部旋轉流場網格密度低，在保證計算精度的前提下盡可能的加快計算時間。靜止域部分約有20萬網格，兩部分共約87萬網格，如圖2。

圖2 螺旋槳流場仿真模型示意圖

由圖2知，流場進口設為速度進口，出口設為自由出口，靜止域外部邊界設為無滑移壁面，旋轉域外表面和靜止域內表面其實是一個面，在Fluent中要將這2個面進行連接操作，形成2個流場區域數據傳遞面。將螺旋槳實體抑制后，原來的螺旋槳表面成為旋轉域的內表面，在Fluent中將該面設為流固耦合面[5]，由于還存在內邊界，但不影響分析結果，因此對這些面不做特殊的設定。

2.2 湍流模型的選取

仿真模型分別選取Realizablek-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型以及標準k-ε湍流模型3種湍流模型進行螺旋槳水動力仿真試算，根據航行船舶的運行參數設定螺旋槳轉速為324 r/min，螺旋槳進速依次取10～20 km/h之間11組數據，試算水動力性能結果，如表2所示。

表2 螺旋槳在3種湍流模型下仿真結果

由表2可以看出,在3種模型試算中，Realizablek-ε湍流模型計算結果跨度較大，與理論值的變化趨勢不一致；標準k-ε模型得到的計算值小于其它2種模型，所以文中選擇RNGk-ε湍流模型較為合理。

2.3 不同進速情況下螺旋槳特性對比分析

先用上海交通大學的AU系列螺旋槳敞水性能回歸經驗公式(2)、(3)分別計算推力系數Kt、轉矩系數Kq，然后以RNGk-ε湍流模型作為初始場計算螺旋槳的敞水性能，設定螺旋槳轉速n為324 r/min，船舶速度在10～20 km/h間，根據公式(5)～(7)分別得到推力系數Kt、轉矩系數Kq和敞水效率η。計算結果如表3所示，對比結果如圖3所示。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Aijk、Bijk分別為推力系數和轉矩系數的回歸系數；J為進速系數；va為進速，m/s；ρ為水的密度，kg/m3；F為推力，kN；Ρ為轉矩，kN·m；D為螺旋槳直徑,m；n為螺旋槳轉速,r/s；M為力矩,kN·m；Ae/Ao為盤面比;P/D為螺距比。

表3 螺旋槳水動力計算數值表

圖3 螺旋槳特性對比圖

通過圖3可得：在不同進速情況下， Fluent 計算的仿真結果和理論值變化趨勢基本一致，仿真計算的推力系數均小于理論值，當速度為14 km/h 時，兩者誤差最小約為4% ，當速度大于14 km/h后，隨著速度增加兩者間誤差有增大的趨勢。當速度小于18 km/h 時，推力系數的誤差保持在8%以內，能滿足實驗要求。由變化趨勢可以預見，本模型不適用于螺旋槳速度超過20 km/h的運動工況。

在不同進速的情況下，力矩系數仿真結果值和理論結果非常接近，而且變化趨勢也基本一致，在螺旋槳進速為18 km/h以下時，誤差在1%以內；速度為20 km/h時，兩者數值差異相對較大,但也符合實驗要求。所以在Fluent中得到的力矩系數仿真結果合理適用。

在不同進速情況下，螺旋槳敞水效率仿真值小于理論計算結果，并且變化趨勢與推力系數誤差情況基本一致，這也從側面驗證了螺旋槳效率仿真計算和理論計算過程誤差可以忽略不計。但當速度超過18 km/h時，敞水效率理論與仿真結果差別較大，隨著速度逐漸增加，敞水效率增長越來越緩慢，有變為水平的趨勢，可以預見，螺旋槳在速度為20 km/h左右時敞水效率達到最大，然后逐漸下降。所以仿真結果可以作為螺旋槳速度在20 km/h以下時水動力性能對比研究的依據。

2.4 槳葉表面壓力分布情況分析

在不考慮船體干擾的情況下，保持船速為12 km/h。轉速為324 r/min，得到螺旋槳的壓力云圖。

螺旋槳面部的壓強范圍為0～0.123 MPa，槳葉面部壓力大于槳葉背壓，槳葉根部分壓力為負值，槳葉面整體壓力為正，槳葉面壓力變化趨勢較為規律，葉面壓力分布由導邊向隨邊逐漸減小，在r=0.5R處導邊邊緣出現壓力最高值，導邊壓力最大達到0.123 MPa，葉面壓力方向與螺旋槳產生推力方向一致。

螺旋槳背部的壓強范圍為-0.113 2～0.049 0 MPa，槳葉背壓變化趨勢較為規律，葉背壓力分布由導邊向隨邊逐漸增加，并且壓力值從葉根到葉稍逐漸減小，在r=0.8R周圍的葉稍區域出現最低壓力值，隨邊壓力為正值，導邊壓力值為-0.1132 MPa,葉背壓力方向與螺旋槳產生推力方向相反。

一般認為，淡水在20 ℃時的飽和蒸汽壓力約為0.003 MPa，在此溫度下運行的螺旋槳，如果表面某處的壓力低于此飽和蒸汽壓力就會出現空泡現象，葉背壓力較低，很容易發生空泡現象，當推力很小或為負值時，葉面區域也可能發生空泡現象。

在進速系數相同的情況下，葉面的表面壓力要大于葉背的表面壓力，這也符合螺旋槳的實際運行工況，葉面、葉背間的壓力差與阻力的代數和就是螺旋槳的推力。

2.5 螺旋槳尾流情況分析

在不考慮船體干擾的情況下，保持船速為12 km/h，轉速為324 r/min，得到螺旋槳尾流場流線圖，如圖4所示。

圖4 尾流場流線圖

從圖4可以看到，水流經螺旋槳后的速度與方向的變化，隨著與槳葉的遠離，外流場的變化與影響迅速減小，恢復到原來狀態，流動情況符合螺旋槳運轉時的實際流動。

依次取進速系數為0.500、0.833、1.100時，得到螺旋槳表面的流線形狀及其在隨邊處匯合形成的泄出渦形狀圖，如圖5所示。從圖5可以看到，隨著進速系數的增大，螺旋槳尾流螺距也隨之增大，同時可以看到螺旋槳尾流的外直徑小于螺旋槳的直徑。隨著進速系數的增大，尾流的外直徑也隨之增大，采用PIV測量側斜槳尾流，也顯示了相同的情況。在J=0.500時，螺旋槳的直徑明顯大于尾流的外直徑反映了重載荷時螺旋槳對流體有較強的抽吸作用[6]。

圖5 螺旋槳尾流圖

3 結束語

通過仿真分析，得到如下結論。

1)根據坐標轉換關系，利用MATLAB程序將螺旋槳基本參數和不同切面處二維坐標轉換為空間笛卡爾坐標，將空間笛卡爾坐標直接導入到Solidworks中進行螺旋槳的三維建模及葉稍優化處理，能夠讓大量數據快速的轉化為直觀的實體模型，使得整個螺旋槳建模過程快捷、高效，精確度較高。

2)采用CFD技術仿真AU型螺旋槳的性能，選擇RNGk-ε湍流模型，得到不同進速系數情況下螺旋槳的性能參數，與理論值相比，仿真值誤差小，計算精度滿足要求，因此可以可靠的仿真螺旋槳的性能。

3)分析螺旋槳槳葉壓力分布情況，可以清晰觀察到槳葉上壓力分布情況，能對流動有直觀的了解。 同時也可以觀察到螺旋槳尾流場隨進速系數的變化而產生的變化情況。定性和定量上預報螺旋槳的流場特征為空泡、振動的分析提供理論依據，為螺旋槳的優化設計提供參考。

[1]吳利紅, 董連斌, 許文海. 基于MATLAB和ProE的螺旋槳三維建模[J]. 大連海事大學學報, 2011(2):17-20.

[2]薛俠峰, 嚴天宏, 何波. MAU型螺旋槳建模與水動力性能分析[J]. 船舶工程, 2016(1):38-42.

[3]Hayati A N,Hashemi S M,Shams M.A study on the behind-hull performance of marine propellers astern autonomous underwater vehicles at diverse angles of attack[J].Ocean Engineering,2013,59(1):152-163.

[4]姚震球, 高慧, 楊春蕾. 螺旋槳三維建模與水動力數值分析[J]. 船舶工程, 2008, 30(6):23-26.

[5]余衛, 朱漢華, 黃靈勇,等. 西江干線船用螺旋槳性能分析與對比研究[J]. 武漢理工大學學報(交通科學與工程版), 2015, 39(1):198-202.

[6] Felice F D, Florio D D, Felli M, et al. Experimental Investigation of the Propeller Wake at Different Loading Conditions by Particle Image Velocimetry[J]. Journal of Ship Research, 2004, 48(2):168-190.

少些塵土 再現碧藍天空

In this paper,the performance of propeller is studied by using the method of solid modeling and numerical simulation ,which is based on the AU type propeller.The basic parameters of the propeller blade section and different radius two-dimensional coordinates are converted the space Descartes coordinate with MATLAB.Descartes coordinates model is to establish 3D entity into Solidworks and the RNGk-εturbulence model is selected in Fluent,the performance of propeller being simulated with CFD numerical method,with which accuracy of analysis results can be achieved by studying change of thrust coefficient,propeller torque coefficient,open water efficiency and blade pressure distribution characteristics of different trends.Through analysis of the propeller performance,wake field characteristics is got at its operation,which provides a theoretical basis for analysis of cavitation and vibration and technical support for optimization design of propeller.

propeller;3D modeling;performance analysis

安邦(1991-)，男，山東日照人，在讀碩士研究生，研究方向為船舶螺旋槳水動力性能。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2017.03.016

2016-12-07