螺旋槳的快速建模及水動力性能預報研究

柳堪樂，賴海清，李明敏,方先進

（1.中國船級社質(zhì)量認證公司陜西分公司，西安，710065 ；2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院，廣州 510250）

1 前言

螺旋槳幾何形狀復雜且有流體分離、漩渦等現(xiàn)象，使得流場中的流動結(jié)構(gòu)很復雜，無法通過求解描述流動過程的微分方程式得到解析。因此，長期以來螺旋槳試驗便成了研究螺旋槳水動力性能必不可少的手段，螺旋槳的敞水試驗主要是以各船模水池的螺旋槳設(shè)計圖譜為基礎(chǔ)，進行少量的修改和試驗來進行螺旋槳的設(shè)計，進而應(yīng)用在工程中，然而，螺旋槳模型試驗不僅周期長、費用高，而且很難得到詳細的局部流場信息，存在很大的局限性。這樣的情況下，數(shù)值試驗的優(yōu)勢就表現(xiàn)出來了，隨著計算機性能的不斷提升以及計算流體力學（CFD）的發(fā)展[1]，利用計算機求解螺旋槳問題周期短、成本低、結(jié)果數(shù)據(jù)完整等優(yōu)點逐漸顯現(xiàn)出來，它能夠更加真實的模擬出實際螺旋槳的工作狀態(tài)，因此，CFD 方法被廣泛的應(yīng)用于工程實踐中[2]。如何快速進行螺旋槳的敞水性能預報，提高螺旋槳設(shè)計效率，已成為目前研究人員越來越關(guān)注的話題

2 螺旋槳快速建模

螺旋槳的曲面造型相對普通的曲面造型復雜，采用 PropCAD 軟件與犀牛軟件結(jié)合，可以實現(xiàn)螺旋槳的快速建模。PropCAD 是用于船舶螺旋槳數(shù)據(jù)建模、二維和三維視圖自動生成的軟件，軟件建立在CAD（IMSI 的可視CADD）基礎(chǔ)上，在螺旋槳設(shè)計功能中加入了大量有針對性的CAD 功能。使用其強大的繪圖功能，可以設(shè)計各種類型的螺旋槳。生成螺旋槳設(shè)計圖最簡單方法是使用軟件的Builder 功能，軟件包含了常用螺旋槳（如高恩系列、B 系列、Ka 導管系列、AU 系列和SK 系列）的資料庫，設(shè)計者只要輸入一些關(guān)鍵的參數(shù)就可以生成螺旋槳完整的幾何圖形。例如，輸入需要的盤面比，縱斜和側(cè)傾值及厚度分布規(guī)律，PropCAD 將生成螺旋槳的所有幾何參數(shù)，包括弦長、葉厚度、側(cè)斜、縱傾和葉剖面型值，還可以對螺旋槳的幾何參數(shù)進行自定義，設(shè)計出任意實際的形狀，自助修改螺旋槳各截面參數(shù)形成自定義螺旋槳模型（如圖1）。

但是，PropCAD 導出的螺旋槳只是片體，其葉稍及槳轂處都是未封閉的曲面，為了形成完整封閉的三維模型，需要將模型輸出為犀牛軟件可讀取的TXT 文件格式。

犀牛（Rhino）是美國Robert Mcneel & Assoc.開發(fā)的強大專業(yè)3D 造型軟件[3]，它可以廣泛地應(yīng)用于三維動畫制作、工業(yè)制造、科學研究以及機械設(shè)計等領(lǐng)域。它能輕易整合3DS MAX 與Softimage 的模型功能部分，對要求精細、彈性與復雜的3D NURBS 模型，有點石成金的效能。可以輸出obj、DXF、IGES、STL、3dm 等不同格式，并適用于幾乎所有3D 軟件。

在犀牛軟件中對螺旋槳的大致處理方法如下：

（1）選擇工具——指令集——從文件中讀取，選擇PropCAD 導出的葉片和槳轂數(shù)據(jù)點TXT 文件。

（2）選擇葉面與槳轂面，執(zhí)行圓角命令，連接槳葉與槳轂。

（3）在槳轂面和葉稍上分別畫幾條連接葉面葉背的曲線，執(zhí)行邊緣曲線建立曲面命令，構(gòu)造出葉稍面，并連接葉面葉背。同理，合成與槳轂接觸的底面。

（4）執(zhí)行組合命令，選擇葉面，葉背，及上一步驟新建的葉稍和底面，形成一封閉的曲面。至此，一片完整的螺旋槳葉片建模完成，最后進行圓周陣列命令即可完成螺旋槳三維建模。如圖2 所示。

2 螺旋槳水動力分析

2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

計算域為一長、寬、高分別為50D、8D、8D的長方體，其計算區(qū)域如圖所示。計算域入口建立在螺旋槳前方10D 處，出口設(shè)置在螺旋槳后方40D 處，螺旋槳到上下左右邊界的距離均為 4D。在長方體計算域中另設(shè)有一圓柱體域，螺旋槳位于該域之中，該區(qū)域也稱為槳域，其中槳域入流面位于槳盤面上游0.3 R 處，槳域出流面位于槳盤面下游 0.3 R 處，圓柱體外徑為 1.2R。

網(wǎng)格質(zhì)量直接決定模擬精度、收斂性和計算效率，因此應(yīng)對整個流域分析進行合理的網(wǎng)格劃分，本課題研究所選用的網(wǎng)格是六面體切割Trimmer 體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格生成時所用的內(nèi)存與時間會較多，因此，若遇到計算量較大的模擬，就需要選用有足夠內(nèi)存的電腦劃分網(wǎng)格，方能順利處理完網(wǎng)格的制作。圖3 的網(wǎng)格示意圖可以看到空白部分為螺旋槳幾何，其他部分為流體區(qū)域，在螺旋槳與流體之間，應(yīng)有邊界層的現(xiàn)象，為了正確捕捉邊界層流體特性，在這里建立了邊界層網(wǎng)格，從螺旋槳幾何處開始生成漸層狀的邊界層網(wǎng)格。螺旋槳模擬中，槳葉是一個很重要的影響因素，因此在進行體網(wǎng)格劃分時，對螺旋槳葉采用了局部加密處理，同時，為了更好的捕捉螺旋槳的所有外形特征，對其特征線均進行了規(guī)整的特征線網(wǎng)格加密。在入口及出口處，采用了extrude model 拉伸模型，增加體網(wǎng)格，它允許從任何邊界進行拉伸，形成規(guī)則的六面體網(wǎng)格，最終全計算域共270.5 萬個網(wǎng)格。

2.2 邊界條件設(shè)定

完整的網(wǎng)格建立完成之后，接下來是黏性流的計算設(shè)定，對于文中的螺旋槳計算，在此選用的紊流模型為k-e 模型，流體介質(zhì)為水，參數(shù)與水池環(huán)境保持一致，水溫為12.2 ℃，密度為998.914 kg/m3，運動黏性系數(shù)為1.23E～06 m2/s。至于邊界條件的設(shè)定，可分為入流條件、出流條件、螺旋槳無滑動流體條件、流場邊界的壁面邊界條件，以及螺旋槳與流場間的交界面，在圖4 中標示出各邊界條件，以下為各邊界條件的簡單敘述。

本節(jié)中數(shù)值計算的邊界條件具體設(shè)置入下：入口邊界選用入流條件，根據(jù)選定的進速VA，給定來流速度；出口邊界由于出口距離槳模足夠遠，選用零壓力梯度條件，出口處的壓力與前方某一點的壓力始終一致；槳域圓柱側(cè)面：選用內(nèi)部交流條件；螺旋槳及槳轂表面選用壁面函數(shù)[4]；外邊界選用速度遠場。給定均勻來流的來流速度作為數(shù)值計算的初始條件。各部分邊界及流域名稱如圖4 所示。

2.3 CFD 計算分析

船用螺旋槳的敞水效率曲線由不同進速系數(shù)J 下的推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及敞水效率η0繪制而成。其中，進速系數(shù)：，螺旋槳推力系數(shù)：扭矩系數(shù)：，效率:

由于后續(xù)計算量大，通過定義J、KT、10KQ等函數(shù)（如圖5），可以實現(xiàn)進速系數(shù)的自動更新，計算結(jié)束，再定義監(jiān)控曲線，達到自動導出無量綱量系數(shù)的功能，大大的減少了人為的干預，有效的提高了工作效率。

計算結(jié)束，得到J=0-0.784 的螺旋槳的推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水效率值η0，并將仿真值與水池試驗值比較，得到如圖6 的誤差分析結(jié)果。

從圖6 可知：推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ、及敞水效率η0 的計算結(jié)果與試驗結(jié)果走勢基本一致，從整體來看，仿真效果比較好，誤差在3%左右。分析誤差產(chǎn)生原因，主要是由于實物模型與數(shù)字模型存在偏差、試驗與仿真工況無法完全相同等原因造成的。但總體來說，兩者結(jié)果基本吻合。我們認為，用此CFD 方法模擬螺旋槳敞水性能可以滿足實際工程設(shè)計應(yīng)用的需求。

2.4 工作流場及壓力場分析

流體的反推力和扭矩是螺旋槳的宏觀受力，如果要細致地研究流體中螺旋槳的水動力性能，需要了解螺旋槳表面任意點的局部受力。

以螺旋槳進速系數(shù)J=0.448 時工況為例，圖7 為螺旋槳葉面及葉背的壓力分布圖，在導邊附近，存在壓力集中區(qū)，但從導邊向隨邊，壓力有所降低。但是相對來講，葉背上壓力急劇下降，與葉面同位置處形成巨大壓差，形成“吸力”。可以看出，從葉根到葉梢，吸力不斷增大，到葉梢達到最大值，同時，吸力在葉背中間較大，從而解釋了螺旋槳產(chǎn)生推力的原因。螺旋槳在實際工作中除了產(chǎn)生軸向誘導速度，還會由于螺旋獎的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向一致的周向誘導速度，軸向速度與周向速度合速度表現(xiàn)為水流經(jīng)過螺旋獎盤面會向槳穀中心線扭轉(zhuǎn)，圖8 給出了螺旋槳尾流圖。從流線形狀來看，螺旋槳尾流直徑小于螺旋槳直徑。

3 結(jié)論

本文利用ProCAD與犀牛軟件結(jié)合，提出了一種螺旋槳快速建模方法，解決了螺旋槳建模繁瑣和效率低的問題，然后通過對螺旋槳網(wǎng)格的劃分和邊界參數(shù)的設(shè)置，計算了敞水螺旋槳的水動力性能，在不同進速系數(shù)下螺旋槳的推力系數(shù)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)及效率，計算結(jié)果和試驗相對比，結(jié)果基本吻合，最大誤差在3%左右，同時分析了敞水中螺旋槳葉背和葉面的壓力分布及流場情況，精度能夠滿足工程上的設(shè)計需要。