基于STAR-CCM+的螺旋槳水動(dòng)力性能分析

姜 彭，張 超，張 宇

(濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

由于螺旋槳敞水試驗(yàn)花費(fèi)人力和財(cái)力較大，且需要在特定的船模試驗(yàn)池、空泡水筒或循環(huán)水槽中進(jìn)行，故螺旋槳性能研究困難，這點(diǎn)對大型螺旋槳尤為明顯。隨著CFD仿真技術(shù)的不斷發(fā)展且具有成本低、易操作、周期短、計(jì)算數(shù)據(jù)易獲取、能根據(jù)研究需要設(shè)定計(jì)算參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已在眾多工程領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。此外，第22屆國際拖拽水池會(huì)議(International Towing Tank Conference，ITTC)提供的P4119螺旋槳具有齊全的槳型參數(shù)和敞水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文采用Gambit軟件建立模型，導(dǎo)入STAR-CCM+中對P4119槳敞水水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。經(jīng)對比分析，其仿真結(jié)果與試驗(yàn)測量值吻合較好。

1 物理模型的建立

P4119螺旋槳幾何參數(shù)如表1所示。

在建立螺旋槳模型時(shí)，首先需要將葉切面二維型值點(diǎn)轉(zhuǎn)換為表征空間形狀的三維笛卡爾坐標(biāo)，其轉(zhuǎn)換公式為[4]：

(1)

式中，W為導(dǎo)邊到最厚點(diǎn)的距離；Ri為各葉切面所對應(yīng)的半徑值；X、Y分別為各Ri處葉切面型值點(diǎn)坐標(biāo)；φ為螺距角；θ為后傾角。

表1 P4119螺旋槳的幾何參數(shù)

將三維坐標(biāo)，保存成.dat文件導(dǎo)入Gambit，使用樣條線繪制槳葉剖面曲線和槳葉周邊曲線。然后用“split edge”將槳葉周邊曲線在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處打斷，用“create face from wireframe”創(chuàng)建槳葉曲面，用“stitch faces”將槳葉葉面結(jié)合成槳葉體。同理，生成槳轂實(shí)體，并用“unit real volumes”整合槳葉和槳轂成為實(shí)體螺旋槳，螺旋槳實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 螺旋槳實(shí)體模型

2 設(shè)定網(wǎng)格模型

2.1 k-epsilon湍流模型

目前湍流的內(nèi)在機(jī)理還沒有真正被人們所了解，迄今尚未認(rèn)定一種解決湍流問題的最佳方法[5]。本文采用二方程模型k-epsilon湍流模型，具體公式如下[6]：

(2)

式中，ρ為水密度，μt為湍流黏度；k為湍動(dòng)能；ε為湍流耗散率；Cμ為經(jīng)驗(yàn)值。

湍動(dòng)能表達(dá)式為：

Gk-ρε,

(3)

湍流耗散率表達(dá)式為：

(4)

式中，t為時(shí)間；μi為平均來流速度；xi、xj為i、j方向上的湍動(dòng)能；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；C1ε、C2ε為常數(shù)；σε為耗散率對應(yīng)的Prandt1數(shù)；σk為湍動(dòng)能對應(yīng)的Prandt1數(shù)。

2.2 流體域參數(shù)設(shè)置

將P4119螺旋槳幾何模型導(dǎo)入STAR-CCM+中，將槳葉和槳轂根據(jù)塊進(jìn)行分割。以坐標(biāo)原點(diǎn)為中心創(chuàng)建2個(gè)圓柱體(big region和 small region)，分別作為靜流域和旋轉(zhuǎn)域，其中旋轉(zhuǎn)域直徑為1.2D，長度方向槳前0.5D、槳后0.5D，靜流域直徑為5.0D，長度方向在槳前距離為3.0D，槳后距離為7.0D，D為螺旋槳直徑值。具體流體域模型如圖2所示。

圖2 流體域模型

兩圓柱體進(jìn)行布爾減運(yùn)算，生成static和rotate零部件后再分配至區(qū)域。選擇為每個(gè)零部件創(chuàng)建一個(gè)區(qū)域，為每個(gè)零部件表面創(chuàng)建一個(gè)邊界，為每個(gè)零部件曲線創(chuàng)建一個(gè)特征線，并選擇根據(jù)接觸創(chuàng)建邊界模式界面，然后創(chuàng)建交界面。

2.3 設(shè)定網(wǎng)格參數(shù)

在連續(xù)體節(jié)點(diǎn)下新建網(wǎng)格連續(xù)體，選擇表面重構(gòu)、棱柱層網(wǎng)格生成器和切割體網(wǎng)格生成器，并激活根據(jù)區(qū)域網(wǎng)格化以允許將網(wǎng)格連續(xù)體應(yīng)用于多個(gè)區(qū)域。在“連續(xù)體”—“網(wǎng)格1”節(jié)點(diǎn)下設(shè)置基準(zhǔn)網(wǎng)格值，并激活“根據(jù)區(qū)域網(wǎng)格化”復(fù)選框。在區(qū)域—旋轉(zhuǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)下設(shè)置網(wǎng)格條件值，以細(xì)化螺旋槳葉片上的網(wǎng)格。在工具或者零部件里建圓柱幾何體，要求能包住旋轉(zhuǎn)域，作為體積控制以細(xì)化螺旋槳周圍的區(qū)域。

2.4 設(shè)定邊界條件

根據(jù)所建流體域的水流方向，設(shè)置速度進(jìn)口(inlet)、壓力出口(outlet)，靜流域圓柱體側(cè)面(side)設(shè)為對稱平面，以減小邊界效應(yīng)。槳葉與槳轂類型均設(shè)為壁面，其中網(wǎng)格條件設(shè)為禁用自定義棱柱體網(wǎng)格。交界面處棱柱層數(shù)設(shè)為1。旋轉(zhuǎn)參考系選擇相對參考系，以模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.5 生成網(wǎng)格

在設(shè)置好網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格在旋轉(zhuǎn)域和體積控制加密區(qū)較密，保持了各向同性，在靜止域較稀疏，兩者之間光滑過渡。生成的體網(wǎng)格數(shù)量為2 205 823，創(chuàng)建平面截面，螺旋槳附近流體域網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 螺旋槳附近流體域網(wǎng)格

3 性能數(shù)據(jù)計(jì)算

3.1 定義場函數(shù)

螺旋槳進(jìn)速系數(shù)、推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率計(jì)算公式如下：

(5)

式中，J為進(jìn)速系數(shù)；VA為前進(jìn)速度；n為槳轉(zhuǎn)速；D為槳直徑；KT為推力系數(shù)；T為螺旋槳產(chǎn)生的推力；ρ為水密度；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Q為螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；η0為敞水效率。

保持螺旋槳轉(zhuǎn)速600 r/min，通過改變進(jìn)速VA來改變進(jìn)速系數(shù)值，使其分別為0.500、0.600、0.700、0.833、0.900、1.100。

3.2 仿真值與試驗(yàn)值比較分析

各進(jìn)速系數(shù)下仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測值比較如表2所示。

表2 仿真計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值比較

從表2可以看出，進(jìn)速系數(shù)在0.500 ～ 0.833時(shí)，敞水效率仿真值和試驗(yàn)值相差很小，在進(jìn)速系數(shù)為1.100時(shí)，誤差較大，但均在10%以內(nèi)。說明STAR-CCM+能夠較好預(yù)報(bào)該槳敞水性能，可以滿足工程需要。

4 槳葉表面壓力分析

J=0.500和J=1.100的螺旋槳葉面與葉背壓力分布如圖4～7所示。由圖可知，葉面壓力高，葉背壓力低，葉背葉梢處壓力值最小，葉面隨邊到導(dǎo)邊壓力逐漸變大且從葉根到葉梢壓力先增大再減小。隨著J從0.500增到1.100，葉背高壓區(qū)逐漸擴(kuò)張使整個(gè)葉背表面壓力趨于均勻，葉背總負(fù)壓值減小，同時(shí)葉面總正壓值也減小，即葉面與葉背壓差明顯降低，螺旋槳發(fā)出的推力變小。

圖4 J=1.100螺旋槳葉面壓力分布

圖5 J=1.100螺旋槳葉背壓力分布

圖6 J=0.500螺旋槳葉面壓力分布

圖7 J=0.500螺旋槳葉背壓力分布

5 結(jié)束語

通過Gambit建立P4119螺旋槳模型，導(dǎo)入STAR-CCM+軟件中進(jìn)行數(shù)值仿真分析，結(jié)果顯示，在0.500、0.600、0.700、0.833、0.900、1.100進(jìn)速系數(shù)下，推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率計(jì)算值與試驗(yàn)值較為接近，誤差均在10%以內(nèi)，能夠滿足工程需要，具有精確預(yù)報(bào)螺旋槳敞水動(dòng)力性能的價(jià)值。同時(shí)，仿真過程中可以直觀的讀取槳葉表面壓強(qiáng)分布和水流矢量圖，對研究螺旋槳水動(dòng)力機(jī)理提供了幫助。此外，由于未考慮槳—舵—船體間的干擾和空泡對計(jì)算槳水動(dòng)力性能的影響，故需更深層次的研究。