CFD技術在螺旋槳粘性流場計算中的可靠性預報分析

姜東栓

摘 要：以 MAU 型槳作為研究對象，通過數值模擬方法，以質量守恒定理及動量守恒定理為基礎，建立不可壓縮流體的控制方程，計算螺旋槳在敞水中的受力情況。本文數值計算采用湍流模型和 SIMPLE算法，分析推進器在不同進速系數下，推力、扭矩與表面壓力變化分布特點。運用計算軟件FLUENT，對螺旋槳的尾流場進行模擬計算，展示其敞水性能的數值計算結果并與水池敞水試驗值對比，對常規螺旋槳在粘性流場中受力直觀體現，并校驗了CFD技術在粘性流場計算中的可靠性。

關鍵詞：粘性流場；螺旋槳；FLUENT；可靠性

中圖分類號：U664.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0043-02

因螺旋槳復雜的幾何形式及流場的多變性，導致流體分離、漩渦等多種不可預測現象的發生，面對復雜的流動結構，通過求解描述流動過程的微分方程式進行解析將是一項極為困難的工程。大多數流場研究中，對于螺旋槳流場理論研究工作，基本采用勢流方法；隨著粘流理論及流體仿真技術的進步，運用商用流體模擬軟件對粘性流場進行模擬。螺旋槳粘流問題可作為一種不可壓情況，其計算難點即壓力場的確定。通常流體解析方程多為非線性，自變量較多，計算域幾何形狀任意，邊界條件情況復雜，對這些無法直接求得解析解的問題方程，用數值方式則能化解此類問題。

1 控制方程

假定流體不可壓，來流為以定常速度作勻速直線運動，螺旋槳保持相對旋轉速度為0，在螺旋槳周向的轉動區域保持一定轉速，建立流場控制方程如下：

2 幾何模型建立

將螺旋槳參數采用坐標轉換成txt格式數據，導入Fluent 軟件配套的前處理器 Gambit軟件 ，建立三維幾何建模。運用樣條曲線方法在 Gambit 中連接各個截面上的型值點，從而建立螺旋槳三維的表面外形。建立的螺旋槳的三維模型如圖1所示。

計算域的外邊界面在槳體外流面無窮遠處，內邊界取在槳葉和槳轂外的外表面上，槳轂中心可以簡化為圓柱體，圖 2 為螺旋槳計算域體網格。為了提高計算結果精度，整個大域劃分成幾個小域，便于在劃分網格時，對局部網格進行加密。

3 結果分析

為檢驗FLUENT軟件在分析螺旋槳的粘性水動力性能結果的可靠性，將數值計算所得的螺旋槳的敞水性能與模型在水池敞水試驗的結果比較。進速系數、推力系數和扭矩系數分別定義如下：

螺旋槳推力系數：

扭矩系數：

在給定進速系數J=0.102 、J=0.204、 J=0.306 、J= 0.408、J= 0.510、J= 0.612、J= 0.658下，對52000DWT油輪螺旋槳進行數值計算， 對比結果如圖3所示，螺旋槳水池敞水試驗數據與仿真軟件計算結果非常接近，KT和KQ的最大誤差分別不超過 8%和7.5%。可見螺旋槳進速系數越大，計算值與試驗值偏差也越大。

在槳盤面以內部分，流體的流動形態較為復雜；在槳盤面以外部分，流體的流動較為規律，速度等值線近乎圓形；這說明螺旋槳轉動所影響流體區域主要在槳盤面以內部分。圖4給出在設計工況下（J=0.658）槳葉處的流動情況示意圖，較為直觀的看到流動從梢部泄露后的流動規律及葉根處的流動。

圖5給出在設計工況下（J=0.658），槳葉背上壓力系數分布圖。從分布圖可看到，分布于葉背中部的受力比較均勻；葉背梢部附近壓力最低，也是最容易產生空泡現象。

圖6給出設計工況下（J=0.658），在不同徑向位置上葉表面壓力系數。從圖中可以看出葉面上流動信息預報精度略好；葉根處槳葉葉背的數值預結果不太理想，其原因可能為葉背附近出現的流體分散情況，方程無法捕捉并進行準確預報；其次，網格疏密對計算精度也是影響數值精度的因素之一。圖7給出r/R為0.9時（靠近葉梢）的計算結果。根據計算結果可以預測到，槳葉導邊的駐點位置；在葉梢部位，葉面壓力明顯高于葉背，表明葉梢受壓較大。

4 結束語

通過FLUENT軟件考察，在不同進速系數下的扭矩系數KQ和推力系數KT與水池試驗結果相比較誤差不會超過8%，預報螺旋槳的性能較為可靠，說明其具有一定實際應用價值。同時簡要分析螺旋槳周圍流場，以進度系數J=0.568為例給出了詳盡的微觀流動信息，揭示空泡最可能在螺旋槳上所發生的區域，還可以清楚的看到葉梢區域附近流線的變化情況，為今后螺旋槳選型、優化提供了重要的依據。

參考文獻：

[1]張志偉，劉建軍.各種湍流模型在FLUENT中的應用[J].河北水利， 2008， （10）：25-26.

[2]張志榮，趙峰，李百齊. k-ω湍流模式在船舶粘性流場計算中的應用[J].船舶力學， 2003， （01）：33-37.

[3]蔣增輝，于開平，張嘉鐘，王聰，黃文虎.空泡尾部流場特性數值模擬研究[J]船舶力學， 2008， （02）：225-230.

[4]李曉暉，熊峻江.基于N-S方程的懸停旋翼槳葉氣動干擾數值模擬[J]空氣動力學學報，2007，（02）：271-276.

[5]馮學梅，陳鳳明，蔡榮泉.使用Fluent軟件的螺旋槳敞水性能計算和考察[J]船舶，2006， （01）：14-19.