簡易導(dǎo)管的數(shù)值計算及分析

1 引 言

導(dǎo)管螺旋槳是特種推進器的一種，早在30年代就已經(jīng)出現(xiàn)了,主要是為了提高功率系數(shù)Bp較高的高負(fù)荷螺旋槳的效率。它是在普通螺旋槳的外圍裝上一個套筒,套筒的縱剖面為機翼型或折角線型。這個套筒就稱為導(dǎo)管,套筒可以是固定的,稱為固定導(dǎo)管;也可以是轉(zhuǎn)動的,稱為轉(zhuǎn)動導(dǎo)管。轉(zhuǎn)動導(dǎo)管除了起導(dǎo)流作用外,還起著舵的作用。它有許多種形式,從導(dǎo)管中流場分有2種,包括加速型導(dǎo)管和減速型導(dǎo)管。導(dǎo)管中的螺旋槳工作時,與導(dǎo)管形成了—個整體,這時的流場與沒有導(dǎo)管時的不同。對于加速型導(dǎo)管,首先,可以使螺旋槳盤面處的水流加速,使螺旋槳工作在較大的速度場,從而可以提高螺旋槳的效率。其次,由于導(dǎo)管出口處的面積逐漸擴大,尾流的收縮極小,使軸向誘導(dǎo)速度減小,也有助于提高螺旋槳的效率。最后,由于葉梢和導(dǎo)管的間隙很小,由葉面和葉背的壓力差引起的繞流大大減小,其能量損失也就減小。正是由于這些原因，加速導(dǎo)管螺旋槳具有效率高,推力大,在風(fēng)浪中的性能較好等特點。對于功率系數(shù)Bp較高的高負(fù)荷螺旋槳,采用它所能達到的效率,將遠遠超過常規(guī)螺旋槳,特別是在系泊情況下,可將系泊推力提高30%以上。

國外發(fā)表的導(dǎo)管螺旋槳系列試驗資料中，以荷蘭船模試驗池的No.19A+Ka螺旋槳系列最為著名。隨后，為改善后退性能又提供了No.37+Ka螺旋槳系列，其結(jié)果都已繪制成Bp-δ型設(shè)計圖譜可供應(yīng)用。國內(nèi)對導(dǎo)管螺旋槳的研究也相當(dāng)活躍。中國船舶科學(xué)研究中心通過對2組6個不同剖面的導(dǎo)管與螺旋槳系列的敞水試驗，研究了導(dǎo)管各種幾何參數(shù)對導(dǎo)管槳性能的影響，并推薦了性能優(yōu)良的導(dǎo)管螺旋槳系列。上海交通大學(xué)船舶流體力學(xué)研究室根據(jù)使用單位的要求簡化導(dǎo)管的加工工藝，在系列研究基礎(chǔ)上推薦了2組簡易導(dǎo)管螺旋槳系列，即JD75+Ka螺旋槳系列和JD7704+Ka系列[1]。由于其加工方便，而性能又與機翼型導(dǎo)管相接近，故為不少單位所采用。

Fluent公司近年來推出的流體力學(xué)軟件Fluent可廣泛用于水流、氣流、熱流、化學(xué)反應(yīng)、混合流，甚至固液混合反應(yīng)的分析[2]，并有多種圖文并茂的結(jié)果輸出，非常適用于對導(dǎo)管性能的分析，并有可能用數(shù)值分析的方法，而不是試驗方法對其尺度、幾何參數(shù)等進行優(yōu)化。這必將降低設(shè)計成本，提高工作效率。

由于本文所要應(yīng)用的導(dǎo)管有特定尺度條件限制，上述文獻提供的性能優(yōu)良的導(dǎo)管并不能滿足應(yīng)用要求，故本文在優(yōu)良導(dǎo)管形狀的基礎(chǔ)上選取幾何參數(shù)，利用Fluent軟件對其流場進行數(shù)值計算。并計算分析了在不同前緣收縮系數(shù)、后緣擴張系數(shù)、平行中體長度以及不同長徑比條件下設(shè)計導(dǎo)管的推力系數(shù)、升阻比和流場分布等。最后通過以上的計算分析各參數(shù)對導(dǎo)管水動力性能的影響，從而挑選出滿足條件的較優(yōu)的導(dǎo)管形狀。

2 導(dǎo)管的幾何特征

由于所設(shè)計導(dǎo)管推進器主要用于低速時的推進，負(fù)荷比較大，根據(jù)導(dǎo)管螺旋槳特點，具有接近JD75導(dǎo)管幾何特征參數(shù)的導(dǎo)管比較合適。

如圖1所示，表征導(dǎo)管特征的幾何參數(shù)主要有以下幾個：長徑比L/D、平行中體與導(dǎo)管長度比Lp/L、收縮系數(shù)α=A1/A0、擴散系數(shù)β=A2/A0(A1,A2,A0分別是導(dǎo)管相應(yīng)位置的截面積)。為探討導(dǎo)管幾何形狀對導(dǎo)管水動力性能的影響，選擇JD75導(dǎo)管的幾何參數(shù)作為參考，以一定規(guī)律變化L/D、Lp/L、α、β，生成系列導(dǎo)管。變化范圍局限于前文提到的現(xiàn)有導(dǎo)管的幾何參數(shù)，共計9個導(dǎo)管形狀，參數(shù)見表1。

圖1 導(dǎo)管剖面幾何尺寸示意圖

表1導(dǎo)管幾何參數(shù)

模型編號L/DLp/LαβNo．10．80．21．33071．1243No．20．80．21．27001．1243No．30．80．21．48721．1243No．40．80．21．33071．2074No．50．80．21．33071．2690No．60．80．1681．33071．1243No．70．80．251．33071．1243No．80．70．21．33071．1243No．90．90．21．33071．1243

3 利用Fluent軟件對導(dǎo)管進行數(shù)值模擬與分析

3.1 建模

以JD75導(dǎo)管幾何參數(shù)作為設(shè)計基礎(chǔ)，均取槳盤面距前緣距離與導(dǎo)管長度比：Lo/L=0.4，并取槳盤處直徑為820 mm，建立模型A1，以此作為導(dǎo)管計算的參考標(biāo)準(zhǔn)。

A1模型參數(shù)如下：

長徑比L/D： 0.8

平行中體與導(dǎo)管長度比Lp/L： 0.2

收縮系數(shù)α： 1.330 7

擴張系數(shù)β： 1.124 3

3.2 計算條件[3]

1) 根據(jù)相對性原理,假定導(dǎo)管靜止不動,水流以一定的速度從前方流向?qū)Ч?，Va為流經(jīng)導(dǎo)管的進速；

2) 計算區(qū)域

考慮到計算機的計算能力和計算模型的可靠性[4],計算域如圖2所示。根據(jù)流場的對稱性,二維計算只取導(dǎo)管剖面的一半進行計算，并在槳軸中心線的位置取對稱條件。外輪廓線為計算邊界，輪廓線之間是水流流動區(qū)域。為保證流場充分發(fā)展，長度方向?qū)Ч艿纳嫌渭跋掠畏謩e取10L，高度方向?qū)Ч芡鈧?cè)也取10L。

圖2 二維計算域示意圖

三維模型的計算域如圖3所示。取一個包圍四分之一導(dǎo)管的四分之一圓柱，其范圍的選取與二維相仿。

圖3 三維計算域示意圖

3) 邊界條件

計算域的入口采用速度入口條件，即給定速度的大小和方向余弦。計算域的出口采用自由流出，導(dǎo)管表面采用固壁面條件，對稱邊采用對稱條件。

4) 網(wǎng)格劃分

理論上網(wǎng)格劃分的越細(xì),計算點距越小,計算效果越理想[5,6]。實際上Fluent主要用差分法和迭代法解N-S方程,計算精度受到計算機計算能力的影響,需要采取一個折衷的辦法。本文的計算取近壁面邊界層第一層網(wǎng)格高度為10-3倍的L，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，經(jīng)計算檢驗其Y+值(Fluent中為了標(biāo)識粘性底層與對數(shù)律層的分界點而引入的無量綱長度參數(shù))可以控制在60以下，即保證了第一網(wǎng)格到壁面距離在對數(shù)區(qū)內(nèi)。因為Fluent允許對稱結(jié)構(gòu)只算一半,故這樣的計算精度既在個人計算機的計算能力允許之內(nèi),又能在總體上一定程度地準(zhǔn)確反映出導(dǎo)管周圍的流場情況。二維和三維網(wǎng)格劃分分別如圖4、圖5所示。

圖4 二維模型導(dǎo)管周圍網(wǎng)格

圖5 三維模型導(dǎo)管周圍網(wǎng)格

3.3 計算結(jié)果

通過計算，得到了二維模型的升阻比和三維模型的推力、推力系數(shù)和流場分布。圖6為No.1導(dǎo)管切面沿弦長方向各點壓力系數(shù)分布曲線。圖中黑線為導(dǎo)管外表面壓力系數(shù)，灰線表示導(dǎo)管內(nèi)表面壓力系數(shù)。圖7是其中一個導(dǎo)管推力的試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比圖，對比結(jié)果表明了計算方法的有效性。

圖6 No.1導(dǎo)管切面壓力系數(shù)分布曲線

圖7 導(dǎo)管推力的試驗結(jié)果與計算結(jié)果對比

4 結(jié)果分析

在No.1模型的基礎(chǔ)上，以一定規(guī)律變化L/D、Lp/L、α、β，生成系列導(dǎo)管，共 9個導(dǎo)管形狀，其幾何參數(shù)見表1。

由圖8知，在J=0.3(設(shè)計工況)附近，各個導(dǎo)管之間的升阻比關(guān)系如下：

1) No.3>No.2>No.1 (表明α的影響)

2) No.4>No.5>No.1 (表明β的影響)

3) No.7>No.1>No.6 (表明Lp/L的影響)

圖8 模型No.1～No.9升阻比曲線圖

圖9 模型No.1～No.9推力系數(shù)曲線圖

4) No.8>No.1>No.9(表明L/D的影響)

由圖9可知， 在J=0.3(設(shè)計工況)附近， 各個導(dǎo)管之間的推力系數(shù)關(guān)系如下：1) No.2>No.1>No.3; 2) No.5>No.4>No.1; 3) No.1>No.7>No.6; 4) No.1>No.9>No.8。

由以上結(jié)果可以看出，在文獻推薦的優(yōu)良導(dǎo)管幾何參數(shù)范圍內(nèi)，α越小，β越大導(dǎo)管所受阻力越小，L/D和Lp/L則是在取中間值時導(dǎo)管的阻力最小。再結(jié)合圖8、圖9中數(shù)值的變化幅度來看，雖然幾何形狀對推力系數(shù)KTD0有影響，L/D、Lp/L影響不是很大，α和β變化影響比較大。不同幾何參數(shù)的變化對升阻比CL/CD是有影響的，但β變化影響最大。

5 結(jié) 論

1) 要得到較大的推力(較小的阻力)，需要相對較小的收縮系數(shù)和較大的擴張系數(shù)，而長徑比L/D和平行中體與導(dǎo)管長度比Lp/L則是以標(biāo)準(zhǔn)模型No.1的為好。

2) 流體力學(xué)軟件在分析此類問題中能獲得非常真實有用的研究效果。使應(yīng)用數(shù)值方法揭示導(dǎo)管幾何參數(shù)對其水動力性能的影響，可降低設(shè)計成本，提高工作效率。

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