基于STAR-CCM+的螺旋槳水動力性能分析

姜 彭，張 超，張 宇

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

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

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，首先需要將葉切面二維型值點轉換為表征空間形狀的三維笛卡爾坐標，其轉換公式為[4]：

(1)

式中，W為導邊到最厚點的距離；Ri為各葉切面所對應的半徑值；X、Y分別為各Ri處葉切面型值點坐標；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，保存成.dat文件導入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節(jié)點處打斷，用“create face from wireframe”創(chuàng)建槳葉曲面，用“stitch faces”將槳葉葉面結合成槳葉體。同理，生成槳轂實體，并用“unit real volumes”整合槳葉和槳轂成為實體螺旋槳，螺旋槳實體模型如圖1所示。

圖1 螺旋槳實體模型

2 設定網(wǎng)格模型

2.1 k-epsilon湍流模型

目前湍流的內在機理還沒有真正被人們所了解，迄今尚未認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為湍動能；ε為湍流耗散率；Cμ為經驗值。

湍動能表達式為：

Gk-ρε,

(3)

湍流耗散率表達式為：

(4)

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

2.2 流體域參數(shù)設置

將P4119螺旋槳幾何模型導入STAR-CCM+中，將槳葉和槳轂根據(jù)塊進行分割。以坐標原點為中心創(chuàng)建2個圓柱體(big region和 small region)，分別作為靜流域和旋轉域，其中旋轉域直徑為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

兩圓柱體進行布爾減運算，生成static和rotate零部件后再分配至區(qū)域。選擇為每個零部件創(chuàng)建一個區(qū)域，為每個零部件表面創(chuàng)建一個邊界，為每個零部件曲線創(chuàng)建一個特征線，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 設定網(wǎng)格參數(shù)

在連續(xù)體節(jié)點下新建網(wǎng)格連續(xù)體，選擇表面重構、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)體應用于多個區(qū)域。在“連續(xù)體”—“網(wǎng)格1”節(jié)點下設置基準網(wǎng)格值，并激活“根據(jù)區(qū)域網(wǎng)格化”復選框。在區(qū)域—旋轉區(qū)域節(jié)點下設置網(wǎng)格條件值，以細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，要求能包住旋轉域，作為體積控制以細化螺旋槳周圍的區(qū)域。

2.4 設定邊界條件

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

2.5 生成網(wǎng)格

在設置好網(wǎng)格參數(shù)和邊界條件后，進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格在旋轉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)計算

3.1 定義場函數(shù)

螺旋槳進速系數(shù)、推力系數(shù)、轉矩系數(shù)和敞水效率計算公式如下：

(5)

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

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

3.2 仿真值與試驗值比較分析

各進速系數(shù)下仿真計算結果與試驗實測值比較如表2所示。

表2 仿真計算值與試驗實測值比較

從表2可以看出，進速系數(shù)在0.500 ～ 0.833時，敞水效率仿真值和試驗值相差很小，在進速系數(shù)為1.100時，誤差較大，但均在10%以內。說明STAR-CCM+能夠較好預報該槳敞水性能，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)逐漸擴張使整個葉背表面壓力趨于均勻，葉背總負壓值減小，同時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 結束語

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