螺旋槳水動(dòng)力性能研究進(jìn)展

李 卉，邱 磊

(華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

螺旋槳水動(dòng)力性能研究進(jìn)展

李 卉，邱 磊

(華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

升力面理論的應(yīng)用日趨完善，面元法和N-S方程的方法已逐漸成為螺旋槳設(shè)計(jì)與水動(dòng)力預(yù)報(bào)的主流，特別是能提供槳葉表面流動(dòng)精細(xì)描述的CFD方法。雖然運(yùn)用粘性流預(yù)報(bào)螺旋槳水動(dòng)力性能的CFD方法較基于勢流理論的升力線、升力面和面元法表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性，但是勢流理論的完善性使其仍是螺旋槳設(shè)計(jì)和計(jì)算中最常用的工具。本文較全面地介紹了國內(nèi)外螺旋槳水動(dòng)力性能研究的最新進(jìn)展，為螺旋槳相關(guān)研究提供參考。

螺旋槳;水動(dòng)力性能;CFD;勢流理論

0 引言

作為流體動(dòng)力學(xué)的重要分支，船舶水動(dòng)力學(xué)早期依賴勢流理論和經(jīng)驗(yàn)公式來修正，很難全面考慮流體的粘性效應(yīng)對(duì)船舶性能的影響。隨著現(xiàn)代數(shù)值技術(shù)理論的突破和計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，船舶水動(dòng)力學(xué)的研究焦點(diǎn)開始轉(zhuǎn)移到計(jì)及自由液面的不可壓粘性流的研究方向上來。螺旋槳作為最常用的船用推進(jìn)器和重要的水動(dòng)力學(xué)研究對(duì)象，研究范圍非常廣泛。涉及螺旋槳理論設(shè)計(jì)與優(yōu)化、尺度效應(yīng)、空泡、壓力脈動(dòng)、噪聲以及船/槳/舵干擾等諸多方面，其水動(dòng)力學(xué)研究仍然是基于勢流理論，數(shù)值理論的局限性必然會(huì)造成許多不足之處，但勢流理論的相對(duì)完善性使其在螺旋槳設(shè)計(jì)方面得到廣泛應(yīng)用，而全粘流理論方法在湍流模式、高雷諾數(shù)流動(dòng)、自由面流動(dòng)、船體/螺旋槳/附體復(fù)雜系統(tǒng)流動(dòng)等方面尚存在不少困難。從目前的研究來看，CFD的試驗(yàn)驗(yàn)證已從早期的宏觀力和力矩驗(yàn)證轉(zhuǎn)向流動(dòng)細(xì)節(jié)和葉片壓力分布的驗(yàn)證，LDV和PIV的應(yīng)用十分廣泛，并獲得了有價(jià)值的基準(zhǔn)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是船體/螺旋槳/舵及相關(guān)附體復(fù)雜系統(tǒng)水動(dòng)力外形CFD優(yōu)化與數(shù)值預(yù)報(bào)還有理論和技術(shù)上的不足。本文在大量翻閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)后，對(duì)螺旋槳水動(dòng)力學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，為后續(xù)研究提供參考。

1 一般船舶螺旋槳性能

螺旋槳性能研究常用的方法有理論研究方法、數(shù)值計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)研究方法。理論研究方法能清晰、普遍地揭示流動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律，但該方法目前只局限于少數(shù)比較簡單的理論模型。研究更復(fù)雜更符合實(shí)際流動(dòng)的，一般采用數(shù)值方法，數(shù)值方法能解決理論研究方法無法解決的復(fù)雜流動(dòng)問題，如常見的航空工程、船舶與海洋工程、氣象預(yù)報(bào)、水利工程、環(huán)境污染預(yù)報(bào)等。數(shù)值模擬在某種意義上比理論與試驗(yàn)對(duì)問題的認(rèn)識(shí)更為深刻、更為細(xì)致，不僅可以了解問題的結(jié)果，而且可隨時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)地、重復(fù)地顯示流動(dòng)過程的形成和發(fā)展，詳細(xì)了解流場整體和局部的細(xì)致信息。雖然數(shù)值模擬較之模型試驗(yàn)顯現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性，但是模型試驗(yàn)的可靠性還是數(shù)值模擬無法替代的。

與其他的力學(xué)問題一樣，研究螺旋槳的水動(dòng)力性能首先要進(jìn)行流動(dòng)分析，進(jìn)行合理的簡化與假設(shè)建立數(shù)學(xué)模型，分析具體的流場環(huán)境，如均勻流場與非均勻流場、理想流體與粘性流體、不可壓縮流體與可壓縮流體、定常流動(dòng)與非定常流動(dòng)等。從近幾年國內(nèi)外發(fā)表的各類文獻(xiàn)資料來看，螺旋槳水動(dòng)力性能研究主要集中在以下幾個(gè)方面:網(wǎng)格劃分方法、湍流模型、勢流與粘流、性能優(yōu)化、槳舵干擾、尺度效應(yīng)。進(jìn)一步發(fā)展的重點(diǎn)應(yīng)該是梢渦模擬、非定常特性預(yù)報(bào)，并向?qū)Ч軜?、組合推進(jìn)器、吊艙推進(jìn)裝置以及船/槳/舵干擾和尺度效應(yīng)研究拓廣。

1.1 網(wǎng)格劃分方法對(duì)螺旋槳性能的影響

計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展為螺旋槳水動(dòng)力性能的研究提供了新的方法，數(shù)值求解控制流體流動(dòng)的微分方程，得出流體流動(dòng)的流場在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動(dòng)情況。數(shù)值模擬首先必須做的是將連續(xù)空間離散化，簡而言之就是劃分網(wǎng)格。劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的1個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要考慮的因素較多，工作量較大，劃分的網(wǎng)格形式對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響。

求解計(jì)算區(qū)域或者部分計(jì)算區(qū)域是運(yùn)動(dòng)時(shí)的流動(dòng)問題時(shí)包括單旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的流動(dòng)和多旋轉(zhuǎn)參考系中的流動(dòng)，螺旋槳作為典型的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件，目前有3種能解決靜止和運(yùn)動(dòng)區(qū)域并存問題的模型，即多參考系模型(MRF)，混合平面模型(Mixing Plane)，滑移網(wǎng)格模型。選用不同模型時(shí)建立網(wǎng)格的方式不同，使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時(shí)必須指定1個(gè)旋轉(zhuǎn)軸來建立網(wǎng)格，為方便起見通常選取x軸、y軸或z軸作為旋轉(zhuǎn)軸。用動(dòng)靜結(jié)合方式將整個(gè)計(jì)算域按照部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系劃分為若干子區(qū)域，可以充分考慮各部件之間的相互作用，能獲得全面的流場信息，只是對(duì)整個(gè)流道計(jì)算的計(jì)算量比較大。涉及到滑移網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的應(yīng)用時(shí)，計(jì)算區(qū)域的劃分必須進(jìn)行特殊處理。把整個(gè)計(jì)算域劃分為運(yùn)動(dòng)和靜止2個(gè)部分，2個(gè)區(qū)域的交界面設(shè)置為interface，如圖1所示。

圖1 全通道計(jì)算的計(jì)算域與網(wǎng)格劃分Fig.1 The full channel calculation of the computational domain and mesh

在進(jìn)行螺旋槳敞水性能計(jì)算時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)和周圍流場的流動(dòng)具有周期性特點(diǎn)，因而可以使用周期性邊界條件，即對(duì)于Z個(gè)葉片的螺旋槳，僅僅研究沿軸向的Z分之一流域。對(duì)敞水螺旋槳單個(gè)槳葉通道內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，可以大大減少網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)約計(jì)算時(shí)間。實(shí)踐表明，敞水條件下螺旋槳繞流呈現(xiàn)定常流動(dòng)狀態(tài)時(shí)采用周期性邊界條件計(jì)算螺旋槳敞水性能的方法是可靠的。

雖然CFD技術(shù)有了很大的提高，但是成功進(jìn)行CFD仿真的關(guān)鍵還是網(wǎng)格質(zhì)量及其類型。對(duì)螺旋槳及其計(jì)算域進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格還是非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，或是混合網(wǎng)格劃分一般而言都是可行的。但是經(jīng)驗(yàn)表明采用混合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的計(jì)算準(zhǔn)確性沒有采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格好;而另一方面，生成混合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格容易得多，采用尺度函數(shù)以漸進(jìn)擴(kuò)張的方式對(duì)槳葉表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在導(dǎo)邊、隨邊、葉根、葉梢等部位加密，而在槳葉中間單元逐漸增大。并構(gòu)建用于螺旋槳敞水性能計(jì)算的棱柱層和四面體混合非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以便更好地考慮湍流邊界層的流動(dòng)特性。事實(shí)上，混合網(wǎng)格是半自動(dòng)生成的，而六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格基本上是手動(dòng)劃分，需要耗費(fèi)大量的精力。特別是對(duì)于螺旋槳這種外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分是比較困難的，進(jìn)一步講，目前的商業(yè)軟件還無法用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來研究槳船之間的相互干擾。鑒于劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的工作量大且復(fù)雜，意大利學(xué)者M(jìn)itja Morgut和Enrico Nobile就結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行了專門研究，他們選用2個(gè)5葉槳分別用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分后計(jì)算。結(jié)果顯示，在模型比例狀態(tài)下，使用混合非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格不失為明智的選擇，計(jì)算結(jié)果與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果具有相似準(zhǔn)確性且網(wǎng)格易于生成［13］。

1.2 基于勢流理論和粘性流理論的螺旋槳水動(dòng)力性能分析

螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)經(jīng)歷了升力線、升力面、面元法以及基于求解RANS方程的CFD方法幾個(gè)階段。升力線方法過于簡化導(dǎo)致求解精度不夠，升力面在升力線的基礎(chǔ)上有所進(jìn)步但由于其是建立在薄翼理論基礎(chǔ)上的，不能精確地描述螺旋槳的幾何外形以至于不能正確的預(yù)報(bào)槳葉壓力分布和空泡性能，其計(jì)算精度也不能令人滿意。面元法能很好地處理槳轂、導(dǎo)邊及槳葉上的空泡影響，更精確地描述復(fù)雜的螺旋槳幾何外形，克服升力線和升力面的不足，對(duì)復(fù)雜的翼身結(jié)構(gòu)作了更為精確的離散化處理，同時(shí)消除升力面理論中薄翼假設(shè)帶來的導(dǎo)邊奇性，更精確地預(yù)估導(dǎo)邊附近和剖面較厚處的壓力分布并能計(jì)及槳轂的存在及槳轂對(duì)螺旋槳性能和槳葉壓力分布的影響［18］。升力面理論的應(yīng)用日趨完善，面元法和N-S方程的方法已逐漸成為螺旋槳設(shè)計(jì)與水動(dòng)力預(yù)報(bào)的主流，特別是能提供槳葉表面流動(dòng)精細(xì)描述的CFD方法。雖然升力面和面元法能成功的預(yù)報(bào)螺旋槳在穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流中的水動(dòng)力性能，但是這些理論方法都是建立在勢流的基礎(chǔ)上，計(jì)算過程中忽略了粘性影響，因此在工程應(yīng)用中需要對(duì)設(shè)計(jì)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行粘性修正。由于勢流理論忽略粘性力導(dǎo)致我們?cè)谘芯砍叨刃?yīng)對(duì)實(shí)船的影響、空泡與黏性流的非線性相互作用、螺旋槳槳葉表面邊界層和尾流渦的結(jié)構(gòu)與力學(xué)機(jī)理等問題時(shí)都無法給出定量的計(jì)算結(jié)果，特別是勢流計(jì)算方法無法捕捉槳葉附近的細(xì)節(jié)流動(dòng)如槳葉隨邊渦的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響了螺旋槳性能的預(yù)報(bào)精度［17］?；赗ANS方程的計(jì)算流體力學(xué)方法為上述問題的解決提供了有效地解決方案。

求解RANS方程的商業(yè)軟件相繼出現(xiàn)并不斷完善，很明顯在螺旋槳水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)方面CFD方法已成為主流研究方向。對(duì)湍流模式、網(wǎng)格生成、近壁面模型等CFD關(guān)鍵問題不斷改進(jìn)后，CFD代碼分析復(fù)雜流動(dòng)的能力大幅提高。盡管如此，涉及物理模型的逼真度、數(shù)學(xué)理論以及如何選擇基準(zhǔn)檢驗(yàn)試驗(yàn)驗(yàn)證方案等復(fù)雜問題時(shí)，CFD方法還存在一定的不確定性，成為CFD研究領(lǐng)域中極具挑戰(zhàn)性的前沿課題。CFD發(fā)展至今，雖然RANS，LES和DES等粘流方法在流場預(yù)報(bào)方面開始起主導(dǎo)作用，但勢流理論的方法仍是螺旋槳設(shè)計(jì)和計(jì)算中最常用的工具。應(yīng)該指出，緊急倒車工況下推進(jìn)器的性能預(yù)報(bào)最具挑戰(zhàn)性，RANS方法不能模擬此時(shí)出現(xiàn)的強(qiáng)非定常瞬態(tài)分離流，新近發(fā)展的LES方法已能實(shí)現(xiàn)對(duì)緊急倒車敞水螺旋槳的模擬，目前正在向船后槳模擬發(fā)展。

RANS粘流方法在螺旋槳水動(dòng)力預(yù)報(bào)上有以下幾方面的應(yīng)用:

1)尺度效應(yīng)

螺旋槳敞水試驗(yàn)必須滿足的相似準(zhǔn)則是進(jìn)速系數(shù)J、雷諾數(shù)Re、弗氏數(shù)Fr和相對(duì)潛深Hs都屬于限制參數(shù)，由于不能同時(shí)滿足全部相似準(zhǔn)則只能根據(jù)試驗(yàn)特點(diǎn)滿足主要的相似準(zhǔn)則，造成模型試驗(yàn)與實(shí)際流動(dòng)情況的差異，這就產(chǎn)生了粘性尺度效應(yīng)，實(shí)踐中有很多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的方法可用來修正實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但一般都不具有代表性。估計(jì)尺度效應(yīng)的大小，尋求減小或修正尺度效應(yīng)的方法成為螺旋槳水動(dòng)力研究的1個(gè)重要課題。

2)空泡與誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力

螺旋槳空泡特性與其激振力、輻射噪聲、槳葉剝蝕及誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力等有直接聯(lián)系，在螺旋槳性能預(yù)報(bào)中非定常螺旋槳的空泡特性顯得尤為重要。各類空泡現(xiàn)象，如局部片空泡、片狀超空泡、泡空泡、云空泡和梢渦空泡等，所采用的數(shù)值計(jì)算方法主要有經(jīng)驗(yàn)方法、升力面方法、面元法和歐拉方程組等勢流方法，以及帶單相和多相模型的RANS方程組和各種方法的耦合。此外，LES方法和DES方法對(duì)改善空泡起始和非定?？张菽M精度的作用開始凸顯。但總體上講，除片空泡圖形外，其他空泡類型和空泡性能的模擬，目前的計(jì)算方法都存在不足之處。目前，螺旋槳空泡與脈動(dòng)壓力試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)展不大，空泡現(xiàn)象和效應(yīng)的量化測試和結(jié)果仍然很不理想。CFD的應(yīng)用有望解決這個(gè)問題，在空泡計(jì)算方面，帶單相和多相模型的CFD方法以及氣泡動(dòng)力學(xué)與粘流理論組合的空泡起始預(yù)報(bào)方法頗具發(fā)展?jié)摿Γ张菡T導(dǎo)脈動(dòng)壓力的預(yù)報(bào)仍無合適的數(shù)值方法，1種基于無粘可壓縮波動(dòng)方程的預(yù)報(bào)方法正處于發(fā)展起步階段，或許有助于問題的解決。

空泡誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力也是1個(gè)重要的研究課題，空泡誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力強(qiáng)烈依賴于空泡的間斷性，以及梢渦空泡的動(dòng)力特性和空泡統(tǒng)計(jì)特征，故船體表面脈動(dòng)壓力測量除了正確模擬伴流場之外，還必須伴隨相應(yīng)的空泡觀測。盡管目前表面空泡區(qū)域的計(jì)算方法已較成熟，但其誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力仍不具備預(yù)報(bào)能力，而其他類型空泡誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力的數(shù)值預(yù)報(bào)則更成問題，故而現(xiàn)在的預(yù)報(bào)幾乎均靠模型試驗(yàn)加上經(jīng)驗(yàn)方法來實(shí)現(xiàn)。

3)非常規(guī)螺旋槳性能

非常規(guī)螺旋槳主要指導(dǎo)管槳、部分導(dǎo)管槳、前或后定子槳、端板槳、割劃槳和Z形驅(qū)動(dòng)槳等，特別是對(duì)半潛槳(SSP)與表面切入槳(SPP)以及吊倉式螺旋槳推進(jìn)器(POD)的研究與應(yīng)用。由于螺旋槳及其部件與船體相互作用的物理機(jī)制不是很清楚，因而常規(guī)預(yù)報(bào)方法在預(yù)報(bào)精度上存在很大的誤差，所以必須研究新的預(yù)報(bào)方法。CFD技術(shù)有助于了解相互干擾的物理機(jī)制，這方面的研究已經(jīng)取得了很大突破。

不同溫度下水樹的生長特性是國內(nèi)外研究者關(guān)注的重點(diǎn)。然而對(duì)于在不同的溫度下XLPE電纜中水樹生長的規(guī)律，目前的研究尚未得到統(tǒng)一的結(jié)論。有研究認(rèn)為在高溫下水樹生長速率提高，但同時(shí)也有研究認(rèn)為隨著溫度升高，水樹生長速率將下降。另有研究表明低溫下水樹生長速率將增加[9-11]。以往的研究大多集中在研究不同溫度下水樹形態(tài)、生長速率等方面，尚未關(guān)注在一個(gè)較長的老化時(shí)期內(nèi)低溫下的水樹生長特征，例如水樹生長速率隨著老化時(shí)間的變化及其原因分析。有關(guān)此方面的研究有助于進(jìn)一步探索水樹在低溫下的生長規(guī)律，此外對(duì)于提高局部寒冷地區(qū)XLPE電纜的絕緣狀態(tài)監(jiān)測及運(yùn)維管理水平亦有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)價(jià)值。

吊倉式螺旋槳推進(jìn)器(POD)在近幾年發(fā)展迅速，與其相關(guān)的推進(jìn)和空泡性能預(yù)報(bào)、非設(shè)計(jì)工況的水動(dòng)力載荷及特殊應(yīng)用如冰區(qū)航行、混合推進(jìn)方式中的水動(dòng)力學(xué)問題逐漸成為熱點(diǎn)研究課題。雖然CFD的方法在研究吊倉式螺旋槳推進(jìn)器的空泡性能，包括吊艙姿態(tài)、伴流、大轉(zhuǎn)角和動(dòng)態(tài)操作影響時(shí)表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，但在研究其非設(shè)計(jì)工況下的性能如螺旋槳力和其他動(dòng)力效應(yīng)，包括槳葉水動(dòng)力及其在吊艙室上誘發(fā)的大窄帶脈沖載荷和船的橫搖及航向穩(wěn)定性等時(shí)CFD預(yù)報(bào)效果也十分有限，這個(gè)問題還亟待解決。

4)船/槳/舵及附體相互干擾流動(dòng)的水動(dòng)力研究

某些特殊情況下，舵表面會(huì)產(chǎn)生1個(gè)“負(fù)拉力”，如果能充分利用這種現(xiàn)象就能大大降低整船的阻力。另外，除了從舵設(shè)計(jì)方面考慮推進(jìn)效率外，空化也都是需要考慮的問題。高功率集中的螺旋槳需要在運(yùn)行效率和船體表面輻射壓力二者之間維持1種平衡，這種類型的槳經(jīng)常產(chǎn)生強(qiáng)烈的、空化梢渦和尾渦現(xiàn)象，而這些渦的存在會(huì)破壞舵的表面，導(dǎo)致油漆脫落、表面腐蝕。除此之外，流動(dòng)的切向分量從螺旋槳分離時(shí)對(duì)舵和螺旋槳葉片形成大攻角空化侵蝕。由于船體、螺旋槳、舵及其附體的共同存在，使得船體尾部流場變得異常復(fù)雜，已經(jīng)不能簡單的用螺旋槳的敞水性能來衡量槳的水動(dòng)力性能，需要綜合考察尾部流場狀況，權(quán)衡影響。意大利學(xué)者Roberto Muscari，Andrea Di Mascio采用運(yùn)動(dòng)重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)INSEAN E1607螺旋槳實(shí)際工作環(huán)境進(jìn)行的細(xì)致研究，將槳置于實(shí)際船體尾部，并且考慮了舵的影響。與此同時(shí)也計(jì)算了獨(dú)立槳的敞水性能，二者比較來看位于船體尾部的螺旋槳表面壓力分布與敞水槳表面壓力分布有很大差異，水動(dòng)力性能發(fā)生了較大變化［10］，由此看來，將船體、槳、舵及相關(guān)附體作為1個(gè)整體來研究是很有必要的。

1.3 螺旋槳在粘性均勻伴流場和非均勻伴流場中的水動(dòng)力性能分析

槳盤面處的伴流分布，圖譜設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮平均伴流分?jǐn)?shù)，而理論設(shè)計(jì)需要計(jì)入伴流場的影響。目前仍然依賴于模型試驗(yàn)得到標(biāo)稱伴流場的數(shù)據(jù)，經(jīng)過理論計(jì)算得到實(shí)船的標(biāo)稱伴流場作為螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算的計(jì)算條件。實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要判斷螺旋槳工作的流場狀態(tài)，均勻伴流或是非均勻伴流。在隨后的模擬過程中實(shí)現(xiàn)均勻伴流場和非均勻伴流場的方式差異很大，判斷模擬過程趨于穩(wěn)定的方法也完全不同。

螺旋槳大多工作在非均勻海洋或河流環(huán)境下，研究其在非均勻流場中的水動(dòng)力性能更具有實(shí)際意義。對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)非均勻伴流場的問題，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行過相關(guān)研究，Takayuki WATANABE［2］使用K- ω 湍流模型模擬了非均勻伴流場中孤立螺旋槳的非定常水動(dòng)力性能，他通過Fluent軟件提供的UDF自定義函數(shù)來實(shí)現(xiàn)伴流場的非均勻性。Claus D.Simonsen［3］將完整的螺旋槳和船體作為1個(gè)整體來求解，從而實(shí)現(xiàn)伴流場的非均勻性。我國學(xué)者沈海龍等在計(jì)算船體粘性非均勻伴流場中螺旋槳非定常水動(dòng)力性能時(shí)綜合采用Takayuki WATANABE和Claus D.Simonsen實(shí)現(xiàn)伴流的方法，分別計(jì)算了非均勻伴流場中Seiun-Maru HSP螺旋槳和某集裝箱船KP505螺旋槳的非定常水動(dòng)力性能［4］。在Seiun-Maru HSP螺旋槳的數(shù)值模擬中，通過Fluent軟件提供的UDF自定義函數(shù)將自行編寫的非均勻伴流場控制程序與求解器結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)了非均勻伴流場中螺旋槳的非定常數(shù)值模擬。

1.4 螺旋槳定常和非定常水動(dòng)力性能分析

船舶實(shí)際航行過程中螺旋槳往往工作在非均勻來流中，來流的方向并不總與螺旋槳的軸向重合，斜向進(jìn)流是比較常見的，這就造成了螺旋槳前方進(jìn)流的空間非均勻，螺旋槳槳葉產(chǎn)生的推力在旋轉(zhuǎn)過程中也不是恒定的，即螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了非定常力。這樣螺旋槳就有了2種不同的水動(dòng)力性能，因此我們?cè)跀?shù)值模擬前必須充分考慮螺旋槳的實(shí)際工作環(huán)境，需要解決的問題是穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)的。

一般情況下定常模擬不論是在網(wǎng)格劃分還是計(jì)算要求上相對(duì)于非定常模擬要容易一些。目前有2種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)螺旋槳在定常和非定常狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。一種是在定常狀態(tài)下使用相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn)螺旋槳在流場中的旋轉(zhuǎn);另一種是非定常狀態(tài)下使用動(dòng)網(wǎng)格來模擬實(shí)際流場中螺旋槳的，比起相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)參考系技術(shù)該技術(shù)更忠于螺旋槳的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，但同時(shí)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)格質(zhì)量要求也更高［1］。相對(duì)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)參考系模型包括單旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系模型和多運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系模型，二者都假定流場是定常的，使問題簡化了，但同時(shí)計(jì)算精度較動(dòng)網(wǎng)格模型低。滑移網(wǎng)格的出現(xiàn)使我們找到了既能實(shí)現(xiàn)螺旋槳非定常模擬又能完全忠于流場中旋轉(zhuǎn)物體間十分強(qiáng)烈的相互作用的方法，在一定程度上保證了螺旋槳在非均勻流場中非定常數(shù)值模擬的精確度。

1.5 湍流模型對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響

Takayuki WATANABE曾在其論文［2］中提到使用K-ω湍流模型模擬非均勻伴流場中螺旋槳的非定常水動(dòng)力性能，并對(duì)K－ω湍流模型中標(biāo)準(zhǔn)K－ω湍流模型和SSTK－ω湍流模型在預(yù)報(bào)非均勻伴流場中螺旋槳的非定常水動(dòng)力性能作了對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這2種模型的預(yù)報(bào)結(jié)果差別不是很大，但是在實(shí)際計(jì)算中標(biāo)準(zhǔn)K－ω湍流模型的每個(gè)時(shí)間步所需計(jì)算時(shí)間最短，所以選取標(biāo)準(zhǔn)K－ω湍流模型是比較實(shí)用的。

國內(nèi)學(xué)者黃勝等為研究不同湍流模型在螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)中的實(shí)用性，在CFD流體計(jì)算軟件中采用標(biāo)準(zhǔn)模型K－ε，RNGK－ε模型和雷諾應(yīng)力方程模型(RSM)模擬了敞水螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)等。結(jié)果顯示這3種湍流模型中標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的數(shù)值預(yù)報(bào)存在明顯的缺陷，RNGK－ε模型相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)K－ε有所改進(jìn)，但這種改進(jìn)仍然沒有拋棄基于渦粘性假設(shè)這個(gè)基礎(chǔ)，其預(yù)報(bào)精度的改進(jìn)是有限的，而RSM模型完全拋棄了渦粘性假設(shè)、完全求解雷諾應(yīng)力的微分運(yùn)輸方程，并且考慮了壁面對(duì)雷諾應(yīng)力分布的影響，因此具有較其他2種模型更強(qiáng)的模擬能力［9］。該研究對(duì)今后各種湍流模型的選取起到一定的指導(dǎo)意義。

2 結(jié)語

目前備受關(guān)注的CFD方法在研究螺旋槳水動(dòng)力性能方面表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)越性，但CFD的本質(zhì)還是數(shù)值計(jì)算方法和流體力學(xué)理論二者的結(jié)合。與螺旋槳有關(guān)的流動(dòng)問題一般是非線性的，自變量多很難求得解析解，用CFD的方法僅僅是可能找出滿足工程需要的數(shù)值解，存在一定的計(jì)算誤差。所以，要在螺旋槳理論設(shè)計(jì)與性能預(yù)報(bào)上取得突破，從根本上還是要在數(shù)值方法和理論分析二方面作進(jìn)一步的研究，而不僅僅是依靠軟件計(jì)算。

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Development and present situation of the propeller hydrodynamic performance

LI Hui，QIU Lei
(College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

The application of lifting surface theory has became increasingly complete，panel method and the N-S equations approach to propeller design has gradually became mainstream of hydrodynamic prediction，and in particularly the CFD method which can provide detailed descriptions of the blade surface flow.Although the use of viscous flow method to forecast the hydrodynamic performance of the propeller shows strong superiority compared to the lifting line，lifting surface and panel method based on potential flow theory，it is also the most commonly used tools of propeller design and calculation for its integrity.This paper provides the latest research on propeller hydrodynamic performance of domestic and international，which provides a reference to propeller and propeller-related research.

propeller;hydrodynamic performance;CFD;potential flow theory

U661.1;U664.33

A

1672-7649(2011)12-0003-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2011.12.001

2011-04-28;

2011-06-28

李卉(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇安倏v控制與新型推進(jìn)技術(shù)、船舶水動(dòng)力學(xué)及船舶計(jì)算流體力學(xué)。