基于流固耦合的螺旋槳性能分析及參數(shù)優(yōu)化

安 邦，朱漢華，范世東，張喜勝，余 衛(wèi)

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

基于流固耦合的螺旋槳性能分析及參數(shù)優(yōu)化

安 邦，朱漢華，范世東，張喜勝，余 衛(wèi)

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

為了研究某型螺旋槳水動(dòng)力及強(qiáng)度特性。首先建立螺旋槳實(shí)體模型，再在CFX中設(shè)置計(jì)算條件，運(yùn)用CFD有限元方法計(jì)算與分析不同進(jìn)速下螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、敞水效率以及槳葉壓力分布等水動(dòng)力參數(shù)特性及其變化趨勢(shì)；然后通過(guò)Workbench平臺(tái)應(yīng)用流固耦合方法，將CFX求解得到的螺旋槳表面壓力載荷加載到螺旋槳結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析模型上，對(duì)螺旋槳的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。最后通過(guò)改變縱傾角和螺距對(duì)螺旋槳結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并將仿真結(jié)果與原槳比較，結(jié)果表明適當(dāng)增大縱傾角能增大螺旋槳強(qiáng)度，適當(dāng)降低螺距能提高螺旋槳敞水效率、提高抗空泡性能并增大螺旋槳強(qiáng)度。

螺旋槳；CFD；水動(dòng)力性能；流固耦合；強(qiáng)度分析

0 引 言

船用螺旋槳工作時(shí)，螺旋槳承受自身重力、離心力和水動(dòng)力載荷等多力作用，受力情況復(fù)雜[1]，導(dǎo)致螺旋槳的穴蝕、疲勞斷裂等問(wèn)題，需要從水動(dòng)力和螺旋槳強(qiáng)度方面研究螺旋槳的破壞原因。通過(guò)流固耦合方法將螺旋槳的CFD水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與有限元求解耦合起來(lái)，來(lái)分析螺旋槳水動(dòng)力和強(qiáng)度性能。螺旋槳水動(dòng)力研究是建立在勢(shì)流理論基礎(chǔ)之上，如升力線方法和面元法等，以往的研究未能充分考慮水粘性、旋度和計(jì)算模型的影響，因而不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)槳葉邊界層、尾流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及槳葉梢渦的形成等流動(dòng)特性[2]。隨著CFD技術(shù)仿真螺旋槳水動(dòng)力性能方法的發(fā)展，該技術(shù)能夠用于探索螺旋槳水動(dòng)力性能中的水粘性問(wèn)題，其計(jì)算原理主要基于RANS方法，對(duì)螺旋槳周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算精度得到提高，一些研究者在該方面做了探索性研究。RHEE等[3]以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格為基礎(chǔ)，結(jié)合RANS方程和k-ε湍流模型對(duì)五葉螺旋槳的敞水性能進(jìn)行計(jì)算，所得推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)與試驗(yàn)值之間的誤差在10%以內(nèi)。龔呂等[4]采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)六葉側(cè)斜反彎扭槳進(jìn)行計(jì)算，所得推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)與試驗(yàn)值相比，誤差在8%以內(nèi)。在螺旋槳的強(qiáng)度研究方面，流固耦合分析理論應(yīng)用較為準(zhǔn)確，該理論主要研究固體在流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中固體和流體在交界面及其周圍產(chǎn)生的相互作用，目前流固耦合經(jīng)常用于船舶與海洋工程、流體結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域，Khalid等[5]基于Ansys-CFX，采用雙向流固耦合法，對(duì)垂直軸風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行瞬態(tài)流固耦合響應(yīng)模擬，李果[6]在分析均勻來(lái)流情況下，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法和有限元發(fā)，提出了一種計(jì)算復(fù)合材料螺旋槳流固耦合問(wèn)題的數(shù)值方法。

本文結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法與結(jié)構(gòu)有限元法，利用Workbench平臺(tái)的CFX和Static Structural模塊，分別進(jìn)行螺旋槳流體與結(jié)構(gòu)兩方面的數(shù)值計(jì)算，同時(shí)將2個(gè)模塊連接起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，得到不同進(jìn)速下螺旋槳弦向壓力分布，以及等效應(yīng)力和總變形隨進(jìn)速的變化，完成螺旋槳的水動(dòng)力及強(qiáng)度分析，之后改變螺旋槳縱傾角與螺距，并將水動(dòng)力及強(qiáng)度分析結(jié)果與原槳進(jìn)行對(duì)比，確定合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 螺旋槳模型的建立

1.1 建立實(shí)體模型

根據(jù)螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)，利用三維坐標(biāo)值在Solidworks中建立螺旋槳的三維模型，最終螺旋槳實(shí)體模型如圖1所示。

1.2 螺旋槳流場(chǎng)劃區(qū)、網(wǎng)格劃分與計(jì)算邊界條件設(shè)定

對(duì)螺旋槳周圍流場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，設(shè)置多參考系模型（MRF），整個(gè)流場(chǎng)被劃分為2個(gè)圓柱體計(jì)算域，外圓柱體區(qū)域作為靜止域用來(lái)模擬靜止流場(chǎng)，內(nèi)圓柱體區(qū)域作為旋轉(zhuǎn)域用來(lái)模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)[7]。外部靜止區(qū)域?yàn)橹睆? D（D為螺旋槳直徑）、長(zhǎng)度10 D的圓柱體，靠近葉背的面設(shè)為進(jìn)口，另一端設(shè)為出口；內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域?yàn)橹睆?.2 D、長(zhǎng)度0.8 D的圓柱體，2個(gè)區(qū)域中心軸均為槳模型的Z軸。應(yīng)用Hypemesh對(duì)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度大，對(duì)外部靜止流場(chǎng)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度低。網(wǎng)格劃分如圖2所示。在螺旋槳流場(chǎng)仿真模型邊界條件設(shè)置時(shí)，設(shè)流場(chǎng)進(jìn)口為速度進(jìn)口，設(shè)流場(chǎng)出口為自由出口，設(shè)靜止域外部邊界為固定不動(dòng)的Wall[8]。

1.3 螺旋槳實(shí)體網(wǎng)格劃分

在hypemesh中對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格選用三角形單元，并且對(duì)葉根和葉梢部分進(jìn)行加密，螺旋槳網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2 螺旋槳的水動(dòng)力與強(qiáng)度分析

2.1 螺旋槳水動(dòng)力特性分析

以RNG k-ε模型作為初始場(chǎng)計(jì)算螺旋槳的敞水性能，進(jìn)速系數(shù)J依次取0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，分別得到推力系數(shù)Kt、扭矩系數(shù)Kq和敞水效率η。并與經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

比較與分析圖4所顯示的螺旋槳敞水特性曲線隨進(jìn)速變化趨勢(shì)可得：

1）推力系數(shù)分析。在不同進(jìn)速系數(shù)下，CFX計(jì)算的仿真結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)一致，仿真計(jì)算的推力系數(shù)小于公式計(jì)算值，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)為0.6時(shí)，兩者誤差最小，約為4%，推力系數(shù)平均誤差在7.2%以內(nèi)

2）力矩系數(shù)分析。在不同進(jìn)速的情況下，力矩系數(shù)仿真結(jié)果值和公式結(jié)果非常接近，變化趨勢(shì)也一致，力矩系數(shù)平均誤差在1.86%以內(nèi)，進(jìn)速系數(shù)大于0.7后可以預(yù)測(cè)兩者差值有增大的趨勢(shì)。

3）敞水效率分析。在不同進(jìn)速情況下，螺旋槳敞水效率仿真值小于公式計(jì)算值，并且變化趨勢(shì)與推力系數(shù)誤差情況基本一致，敞水效率平均誤差在7.11%以內(nèi)，隨著進(jìn)速系數(shù)的增大，兩者差值有增大的趨勢(shì)。

總體來(lái)講在考察的進(jìn)速系數(shù)0.3 ～ 0.7范圍內(nèi)，敞水性能仿真結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)結(jié)果誤差較小，吻合較好。

2.2 槳葉壓力分布情況分析

在保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)為0.4時(shí)，得到四葉槳0.3 R半徑與0.9 R半徑處葉切面的弦向壓力分布圖，如圖5所示，其中x/L=0為隨邊，x/L=1為導(dǎo)邊。并且給出進(jìn)速系數(shù)為0.4時(shí)的壓力分布云圖，如圖6所示。

通過(guò)圖5和圖6可以觀測(cè)到槳葉壓力分布情況，葉面壓力總體為正，葉背壓力總體為負(fù)，在某一固定進(jìn)速下，葉面壓力分布由導(dǎo)邊向隨邊逐漸減小，在r=0.5 R處導(dǎo)邊邊緣出現(xiàn)壓力最高值，葉面的壓力先從葉根到葉稍逐漸增加，達(dá)到一定值后，再逐漸減小，在葉稍處達(dá)到最小值[10]。四葉槳葉背壓力分布由導(dǎo)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=0.8 R周圍的葉稍區(qū)域出現(xiàn)最低壓力值，隨邊壓力為正值。

隨著進(jìn)速的增加，最大壓力從1.786×105Pa減小到1.151×105Pa，葉面上的高壓區(qū)域面積開(kāi)始縮小，葉面壓力變小，葉背上的低壓區(qū)域面積開(kāi)始變大，葉面壓力變化量小于葉背壓力變化量，葉面與葉背之間的壓力差開(kāi)始變小，從而可以預(yù)見(jiàn)隨著進(jìn)速的增加，螺旋槳產(chǎn)生的推力會(huì)隨之減小。

2.3 螺旋槳的強(qiáng)度分析

1）水動(dòng)力對(duì)螺旋槳的強(qiáng)度影響

通過(guò)Workbench平臺(tái)將流場(chǎng)中得到的螺旋槳表面壓力加載到槳葉實(shí)體上，用流固耦合方法分析錳黃銅材料螺旋槳的強(qiáng)度。分析中將槳轂大端面固定，加載離心力載荷，保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，設(shè)定進(jìn)速系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7時(shí)，得到四葉槳最大應(yīng)力、最大變形曲線圖，如圖7所示，并且給出J=0.4時(shí)的應(yīng)力、變形分布云圖，如圖8所示。

由圖7和圖8可以觀察到槳葉的應(yīng)力與變形分布情況，在一定進(jìn)速范圍內(nèi)，隨著進(jìn)速的增加，最大應(yīng)力與最大變形大致成線性遞減趨勢(shì)，這與低進(jìn)速時(shí)重載、高進(jìn)速時(shí)輕載相一致。最大應(yīng)力分布在葉根附近，最小應(yīng)力分布在葉梢區(qū)域，應(yīng)力值沿徑向逐漸減小，這說(shuō)明螺旋槳工作時(shí)葉根處極易發(fā)生斷裂，在設(shè)計(jì)和制造螺旋槳時(shí)應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力處理保證葉根處有足夠的強(qiáng)度。槳葉最小變形處在葉根區(qū)域，變形量沿徑向逐漸增加，在葉稍處產(chǎn)生最大變形，隨著進(jìn)速的增加，槳葉的應(yīng)力與變形都逐漸減小。槳葉最大變形處在葉稍位置，而不是最大應(yīng)力所在的葉根位置，其原因是螺旋槳葉稍區(qū)域厚度較薄，較小的壓力也會(huì)產(chǎn)生較大變形[10]。

3 螺旋槳結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 不同縱傾角下螺旋槳性能對(duì)比分析

1）不同縱傾角下螺旋槳水動(dòng)力性能對(duì)比分析

考慮到強(qiáng)度問(wèn)題，螺旋槳的縱傾角一般不能太大，原始槳的縱傾角為10°，因此分別取縱傾角變化為8°和12°進(jìn)行研究。保持螺旋槳轉(zhuǎn)速不變，設(shè)定進(jìn)速系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7時(shí)，得到新螺旋槳敞水性能曲線，如圖9所示。并且給出J=0.4時(shí)，縱傾角為8°和12°螺旋槳表面壓力分布云圖，如圖10所示。

圖9可以觀察到縱傾角度變換后，螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率在進(jìn)速系數(shù)0.3 ～ 0.7范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果；圖10給出的云圖為進(jìn)速系數(shù)J=0.4時(shí)不同縱傾角下槳葉的壓力分布。從敞水性能曲線和槳葉壓力分布云圖可以看出，隨著縱傾角的增大，螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和槳葉壓力隨著減小，敞水效率會(huì)略有增大，但是從另外一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，由于增大螺旋槳的縱傾角，即增大螺旋槳葉梢與船體尾框架的間隙，能改善螺旋槳誘導(dǎo)的船舶尾部振動(dòng)，所以在不影響螺旋槳敞水效率前提下，可以適當(dāng)增大縱傾角來(lái)減小船尾的振動(dòng)[11]。

2）不同縱傾角下螺旋槳強(qiáng)度對(duì)比分析

通過(guò)上述對(duì)比分析可以看出適當(dāng)增大縱傾角較為有利，選擇縱傾角為12°的螺旋槳作為研究對(duì)象，并就結(jié)構(gòu)性能仿真結(jié)果與原槳進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定進(jìn)速系數(shù)為0.4。

由表1可以得到：在同一進(jìn)速系數(shù)J=0.4下，縱傾角為12°的螺旋槳和原槳的最大等效應(yīng)力分別為48.265 MPa和50.935 MPa，最小等效應(yīng)力分別為0.03 MPa和0.04 MPa；最大變形分別為1.613 2 mm和3.159 9 mm。從表上可以看出，螺旋槳縱傾角的改變對(duì)螺旋槳槳葉的等效應(yīng)力、變形影響很大，葉根處最大等效應(yīng)力和葉稍處最大變形都比原槳小，因此適當(dāng)增大縱傾角也可以增強(qiáng)螺旋槳強(qiáng)度改善結(jié)構(gòu)性能。

表 1 結(jié)構(gòu)性能對(duì)比Tab. 1 Structural performance comparison

3.2 不同螺距下螺旋槳性能對(duì)比分析

1）不同螺距下螺旋槳水動(dòng)力性能分析

設(shè)定進(jìn)速系數(shù)分別為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，對(duì)1.1倍和0.9倍螺距的螺旋槳進(jìn)行敞水性能計(jì)算并與原槳對(duì)比分析，如圖11所示。并且給出J=0.4時(shí)，0.9倍螺距與1.1倍螺距下螺旋槳表面壓力分布云圖，如圖12所示。

從圖11可以觀察到不同螺距下螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率在進(jìn)速系數(shù)0.3～0.7范圍內(nèi)的計(jì)算結(jié)果。從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，增大螺距使得螺旋槳的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)均上升，上升的幅值隨著進(jìn)速系數(shù)的增大而逐漸增大，且增幅非常明顯；對(duì)于敞水效率而言在進(jìn)速系數(shù)0.3～0.7范圍內(nèi)螺距減少使得敞水效率大幅度增大，而且從敞水效率圖形的走勢(shì)可以預(yù)測(cè)，最佳效率的工況點(diǎn)向進(jìn)速系數(shù)減少的方向移動(dòng)，同時(shí)最佳效率值隨著螺距的增大有微小的增大。因此在原槳基礎(chǔ)上稍微減少一定量的螺距有利于提高船舶的效率。

從圖12可以觀察到螺旋槳在不同螺距下槳葉的壓力分布，可以清楚地看到螺距的改變帶來(lái)的螺旋槳槳葉上壓力特性的變化。其中最明顯的是螺距的變化帶來(lái)的螺旋槳槳葉上壓力梯度的變化，螺距增大使得壓力梯度迅速增大；同時(shí)，螺距的增大使得槳葉上的最小壓力區(qū)域擴(kuò)大，其吸力面更易達(dá)到水的汽化壓力，從而導(dǎo)致葉背區(qū)域更早且更大范圍的出現(xiàn)空泡現(xiàn)象。綜上所述，該槳的螺距減小更為有利，雖然推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)有所減小，但敞水效率和抗空泡性能有所提升。

2）不同螺距下螺旋槳強(qiáng)度分析

通過(guò)對(duì)比分析可以看出適當(dāng)減小螺距有利于船舶螺旋槳的水動(dòng)力性能，所以選擇0.9倍母型槳螺距的螺旋槳作為研究對(duì)象，并就結(jié)構(gòu)性能仿真結(jié)果與原槳進(jìn)行對(duì)比。設(shè)定進(jìn)速系數(shù)為0.4。

表 2 結(jié)構(gòu)性能對(duì)比Tab. 2 Structural performance comparison

從表2可以觀測(cè)到在同一進(jìn)速系數(shù)下，0.9倍螺距螺旋槳和原槳葉根處的最大等效應(yīng)力分別為43.612 MPa和50.935 MPa，最小等效應(yīng)力分別為0.048 MPa和0.041 MPa；葉稍最大變形量分別為2.7 mm和3.1 mm。通過(guò)比較可以看出，0.9倍螺距的螺旋槳槳葉的最大等效應(yīng)力和最大位移比原槳小，從圖上可以看出，螺旋槳螺距的改變對(duì)螺旋槳槳葉的等效應(yīng)力、變形影響很大，葉根處最大等效應(yīng)力和葉稍處最大變形都比原槳小，因此適當(dāng)減小螺距可以增大螺旋槳強(qiáng)度改善結(jié)構(gòu)性能。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真分析，得到如下結(jié)論：

1）螺旋槳模型復(fù)雜，因此對(duì)螺旋槳進(jìn)行精確建模，通過(guò)合適的方式對(duì)螺旋槳周圍流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格化分對(duì)提高螺旋槳性能仿真精度有較大影響。

2）通過(guò)CFD方法仿真AU型螺旋槳的性能，選擇RNG k-ε湍流模型，得到不同進(jìn)速情況下螺旋槳的性能參數(shù)，與公式計(jì)算值之間相比，仿真值誤差小，計(jì)算精度滿足要求。

3）通過(guò)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增大螺旋槳縱傾角能提高槳葉強(qiáng)度，改善螺旋槳結(jié)構(gòu)性能；適當(dāng)降低螺距能提高螺旋槳敞水效率、提高抗空泡性能并且有助于提高槳葉強(qiáng)度，改善螺旋槳結(jié)構(gòu)性能。

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Performance analysis and parameter optimization of propeller based on fluid solid coupling

AN Bang, ZHU Han-hua, FAN Shi-dong, ZHANG Xi-sheng, YU Wei
(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

In order to study a certain type of propeller and propeller strength characteristics. Firstly, the entity model, and then set the calculation conditions in CFX, the calculation and analysis of the thrust coefficient, different velocity of propeller by using CFD finite element method for torque coefficient, open water efficiency and blade pressure distribution characteristics of hydrodynamic parameters and its change trend; and then through the Workbench the application platform flow solid coupling method, CFX obtained the pressure surface of propeller load to the propeller structure strength analysis model, to calculate the strength of the propeller. Finally, by changing the pitch angle and the pitch of the propeller structure optimization, and simulation results will be compared with the original propeller, the results showed that the appropriate increase of the trim angle can increase propeller strength, appropriate to reduce the pitch can improve propeller open water efficiency, improve the anti cavitation performance of propeller and increase strength.

propeller；CFD；hydrodynamic performance；fluid structure interaction；strength analysis

U661

A

1672 – 7649(2017)08 – 0041 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.009

2017 – 01 – 06

安邦(1991 – )，男，碩士研究生，主要從事螺旋槳水動(dòng)力性能研究。