網(wǎng)格變形控制技術(shù)在帶前置定子導(dǎo)管槳水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉 敏，張 寧，高同兵，閆學(xué)琳，陳小寧

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

網(wǎng)格變形控制技術(shù)在帶前置定子導(dǎo)管槳水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉 敏，張 寧，高同兵，閆學(xué)琳，陳小寧

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

應(yīng)用網(wǎng)格變形控制技術(shù)，對(duì)帶前置定子導(dǎo)管槳進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)葉片水動(dòng)力外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，優(yōu)化方案的敞水效率較原始方案提高了2%，并能顯著減弱葉梢流動(dòng)的分離現(xiàn)象。優(yōu)化結(jié)果表明，基于網(wǎng)格變形控制技術(shù)的網(wǎng)格重構(gòu)方法能在保證網(wǎng)格相似性的條件下，解決多方案網(wǎng)格自動(dòng)生成的難題，便于進(jìn)行組合式推進(jìn)器的水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

網(wǎng)格變形控制技術(shù);帶前置定子導(dǎo)管槳;水動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

在過(guò)去的20年里，氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)(ADO)已經(jīng)成為計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用方面的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)各方案進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)果的預(yù)估評(píng)價(jià)，其中CFD技術(shù)在流體性能優(yōu)化方面得到了廣泛應(yīng)用。然而，在對(duì)樣本進(jìn)行采樣分析時(shí)，相應(yīng)的網(wǎng)格自動(dòng)化生成技術(shù)仍是目前的研究難點(diǎn)。網(wǎng)格生成不僅需要較大的計(jì)算資源和較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間，而且對(duì)參數(shù)變化范圍較大的樣本，極易失敗，從而導(dǎo)致樣本的缺失?；蚴巧傻木W(wǎng)格質(zhì)量較差，得到誤差較大的結(jié)果，使得優(yōu)化失敗。目前，進(jìn)行性能優(yōu)化的網(wǎng)格生成方法主要有面元法、網(wǎng)格模板和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格3種。但這些方法均存在一定的局限性。如趙威［1］等采用面元法進(jìn)行螺旋槳性能優(yōu)化，避免了流域自動(dòng)網(wǎng)格生成的難題，但針對(duì)泵噴推進(jìn)器這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其適用性需要進(jìn)一步研討。Andrea［2］等采用CFD分析和優(yōu)化技術(shù)對(duì)高升力渦輪葉柵進(jìn)行了性能優(yōu)化，其中網(wǎng)格重構(gòu)采用網(wǎng)格模版的方法生成。對(duì)于幾何相似的樣本，可以采用網(wǎng)格模板的方法生成網(wǎng)格。然而對(duì)相似性較小的樣本，該方法容易生成帶負(fù)體積的計(jì)算網(wǎng)格，從而使得CFD模擬無(wú)法進(jìn)行。另外，ICEM-CFD針對(duì)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格提供了重復(fù)利用塊文件的網(wǎng)格生成方法，但因?yàn)樾枰付ㄍ負(fù)鋵?duì)應(yīng)關(guān)系而在自動(dòng)網(wǎng)格生成方面存在不足。目前，由于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)邊界的適應(yīng)性強(qiáng)，而被廣泛用于 CFD優(yōu)化。劉艷［3］等在NACA0012翼型非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的基礎(chǔ)上，采用動(dòng)彈網(wǎng)格技術(shù)生成翼型樣本網(wǎng)格。但該方法無(wú)法保證各樣本的網(wǎng)格相似性，特別是邊界層網(wǎng)格的生成。

本文基于網(wǎng)格變形控制技術(shù)進(jìn)行了網(wǎng)格重構(gòu)，由1套基本網(wǎng)格生成各方案相應(yīng)的變形網(wǎng)格，可以保證各方案網(wǎng)格的相似性，解決了多方案設(shè)計(jì)中網(wǎng)格自動(dòng)化生成的難題，便于進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文以文獻(xiàn)［4］中提供的帶定子導(dǎo)管槳為研究對(duì)象，首先對(duì)其水動(dòng)力性能進(jìn)行CFD計(jì)算，驗(yàn)證所采用網(wǎng)格及模擬方法的可行性;然后將葉片沿其積疊線進(jìn)行扭轉(zhuǎn)，給定扭角范圍為－8°～8°并隨機(jī)生成樣本;再根據(jù)給定的扭角自動(dòng)生成相應(yīng)網(wǎng)格并進(jìn)行CFD性能計(jì)算;最后通過(guò)比較不同扭角下槳的水動(dòng)力性能，得到2°扭角下效率提高2%的優(yōu)化方案。該方案葉梢附近流場(chǎng)分析表明，葉梢的流動(dòng)分離得到了較好的控制。

1 計(jì)算模型及數(shù)值模擬方法

文獻(xiàn)［4］給出了帶定子導(dǎo)管槳外形幾何尺寸及轉(zhuǎn)子主要幾何參數(shù)，并對(duì)其水動(dòng)力性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。其中，轉(zhuǎn)子和定子葉數(shù)分別為4葉和9葉，其三維幾何外形如圖1所示。計(jì)算域采用單流道﹑結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，葉片表面﹑葉頂及輪轂附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。其中，葉片表面添加邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格總量約110萬(wàn)，如圖2所示。采用Fluent軟件求解Navier-Stokes方程，計(jì)算區(qū)域劃分為動(dòng)、靜2個(gè)域，采用MRF方法建模，轉(zhuǎn)/靜交界面采用Mixing-Plane模型進(jìn)行定常模擬，得到轉(zhuǎn)子葉片的推力和扭矩，并計(jì)算得到其敞水效率。

圖1 帶定子導(dǎo)管槳正視圖Fig.1 Display+Z view of ducted propeller

圖2 導(dǎo)管槳單流道CFD網(wǎng)格Fig.2 Single flow passage mesh

2 網(wǎng)格變形控制技術(shù)

采用4×4×4控制點(diǎn)控制轉(zhuǎn)子區(qū)域網(wǎng)格，其中葉片流域進(jìn)口﹑出口﹑周期性邊界上控制點(diǎn)設(shè)置為固定控制點(diǎn)，移動(dòng)控制點(diǎn)設(shè)置為圍繞葉片的2×2×4個(gè)控制點(diǎn)，如圖3所示。采用樣條曲線連接控制點(diǎn)，保證控制曲線的光滑，當(dāng)控制點(diǎn)移動(dòng)時(shí)，空間樣條曲線擬和控制點(diǎn)，整體網(wǎng)格依次移動(dòng)，保證了整體網(wǎng)格的光滑過(guò)渡。沿輪蓋表面移動(dòng)葉頂?shù)?個(gè)控制點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)葉片的前彎及后彎，如圖4和圖5所示。沿周向移動(dòng)圍繞葉片的網(wǎng)格控制點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)葉片的扭轉(zhuǎn)，如圖6所示。本文采用的網(wǎng)格變形控制技術(shù)基于空間網(wǎng)格進(jìn)行直接變形，保證了葉片表面網(wǎng)格的光順及整體網(wǎng)格質(zhì)量，并可以保證變形網(wǎng)格與原始網(wǎng)格擁有相同的網(wǎng)格數(shù)量及拓?fù)潢P(guān)系，從而確保了各方案網(wǎng)格的相似性。

3 性能計(jì)算及分析

本文對(duì)J=0.4﹑0.6﹑0.8﹑1.0等4個(gè)工況進(jìn)行了CFD計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如圖7所示。從圖中可以看到，推力系數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明本文所采用模擬方法的正確性。扭矩系數(shù)在高進(jìn)速條件下誤差控制在4.5%以內(nèi)，滿足工程要求。

圖8所示為轉(zhuǎn)子葉片附近流線圖。區(qū)域1所示為葉頂分離流，區(qū)域2所示為轉(zhuǎn)子輪轂附近尾跡區(qū)域流線。在區(qū)域1位置，存在明顯的葉頂分離流動(dòng)。流線在葉片迎流邊附近即發(fā)生流動(dòng)脫離。在區(qū)域2位置，存在部分低速流體的明顯堆積，輪轂附近流線從壓力面回流到葉片吸力面，與吸力面流體發(fā)生摻混，形成1個(gè)回流漩渦區(qū)再流到下游。圖9和圖10分別為轉(zhuǎn)子葉片吸力面與壓力面表面靜壓分布等值線圖。在轉(zhuǎn)子葉片導(dǎo)邊附近，吸力面上存在1個(gè)明顯的高壓區(qū)，而壓力面上存在1個(gè)低壓區(qū)，這對(duì)槳推力帶來(lái)不利影響，直接影響其效率。

圖9 轉(zhuǎn)子葉片吸力面靜壓分布等值線Fig.9 Pressure contour of blade suction

圖10 轉(zhuǎn)子葉片壓力面靜壓分布等值線Fig.10 Pressure contour of blade pressure

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化及分析

在造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，影響三維葉片造型的參數(shù)可分為氣動(dòng)參數(shù)(如相對(duì)氣流角﹑氣流脫軌角等)和幾何參數(shù)(如葉片的彎﹑掠﹑扭﹑葉截面中弧線拱度，厚度分布等)，所涉及的參數(shù)較多。在給定導(dǎo)管槳外形的條件下，針對(duì)葉片進(jìn)行性能優(yōu)化時(shí)，目前研究大多針對(duì)其中比較重要的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如Ahn C S［5］等通過(guò)優(yōu)化積疊軸，調(diào)整葉片的彎掠特性來(lái)提高壓氣機(jī)性能。在對(duì)截面進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化時(shí)，由于各截面之間的參數(shù)較多，約束關(guān)系難以給定，容易造成造型失敗，如在某個(gè)截面出現(xiàn)零厚度等非物理解。因此，部分研究使用自由曲面函數(shù)(如NURBS函數(shù)等)直接進(jìn)行三維空間曲面造型并進(jìn)行優(yōu)化。袁新［6］采用NURBS曲面對(duì)軸流壓氣機(jī)葉片進(jìn)行直接幾何造型，并集成CFD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成了多級(jí)軸流壓氣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通過(guò)對(duì)圖8～圖10中轉(zhuǎn)子葉片流線及靜壓結(jié)果的分析可知，為了提高轉(zhuǎn)子水動(dòng)力性能，并減少葉片流動(dòng)分離和堆積，可通過(guò)改變?nèi)~片安裝角(扭)及輪轂附近葉截面拱度來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣極大地減少了優(yōu)化參數(shù)，便于進(jìn)行優(yōu)化。

本文主要采用改變?nèi)~片扭角進(jìn)行優(yōu)化。將葉型離散為4個(gè)葉截面(如圖3所示)，通過(guò)改變?nèi)~片控制點(diǎn)周向位置改變?nèi)~片扭角，相應(yīng)的網(wǎng)格采用控制網(wǎng)格變形技術(shù)實(shí)現(xiàn)。圖11給出了葉頂部截面在不同扭角下葉形坐標(biāo)對(duì)比。扭角變化范圍為－8°～8°，以30%弦長(zhǎng)處為葉片積疊線即葉截面旋轉(zhuǎn)中心，以不同扭角隨機(jī)生成樣本，采用CFD模擬得到其水動(dòng)力性能。計(jì)算所采用的進(jìn)速系數(shù)為0.6，即設(shè)計(jì)進(jìn)速點(diǎn)。本文給出了20個(gè)隨機(jī)樣本的計(jì)算結(jié)果，其水動(dòng)力性能點(diǎn)隨扭角的變化曲線如圖12所示。可見(jiàn)隨著扭角的增加推力系數(shù)降低，同時(shí)扭矩系數(shù)也降低。效率曲線隨扭角在2.2°附近達(dá)到最大后隨即降低，其值相比于原型(0°)增加2.4%。在－2°～2°扭角之間，曲線變化平緩，偏離該范圍后效率曲線梯度較大。

圖13所示為扭角分別為－6°，2°和6°三種情況下葉頂附近流線。在扭角為－6°時(shí)，流線在葉片吸力面發(fā)生明顯分離，主要是因?yàn)閬?lái)流攻角過(guò)大，導(dǎo)致葉頂附近流動(dòng)惡化;當(dāng)扭角為2°時(shí)，在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)流線未見(jiàn)分離，流動(dòng)較理想;在扭角為6°時(shí)，流動(dòng)在壓力面發(fā)生分離，并生成較明顯的旋渦。根據(jù)機(jī)翼理論，當(dāng)扭角過(guò)大或過(guò)小時(shí)，流動(dòng)均在葉頂葉片表面發(fā)生明顯分離，所選取的攻角不合理將導(dǎo)致性能下降。綜合圖12和圖13的分析結(jié)果，盡管在扭角為2.2°附近效率曲線取得最大值，但考慮到工況偏移后將導(dǎo)致攻角變化，而效率曲線在2.2°扭角上斜率較大，為了保證較寬廣的工況范圍，因此優(yōu)化方案的扭角取為2°。

圖14 優(yōu)化槳與原型槳性能曲線Fig.14 Performance curves of improved propeller and original propeller

圖14所示為采用2°扭角后優(yōu)化槳與原型槳的性能曲線對(duì)比。在設(shè)計(jì)進(jìn)速點(diǎn)，效率得到約2%的提升;在高進(jìn)速情況下，由于偏離優(yōu)化槳設(shè)計(jì)工況，原型槳相反效率較高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)帶定子導(dǎo)管槳水動(dòng)力性能進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用控制網(wǎng)格變形技術(shù)對(duì)葉片扭角進(jìn)行多方案對(duì)比。結(jié)果表明，采用2°扭角的優(yōu)化方案可以明顯控制葉頂流動(dòng)分離，設(shè)計(jì)點(diǎn)敞水效率可較原始方案提高2%，并且在性能曲線上設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的效率均可得到提高。本文的研究成果表明，基于網(wǎng)格變形控制技術(shù)的網(wǎng)格重構(gòu)方法，能在保證網(wǎng)格相似性的條件下，解決多方案網(wǎng)格自動(dòng)生成的難題，便于進(jìn)行組合式推進(jìn)器的水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。

［1］趙威，楊晨俊.船舶螺旋槳螺距及拱度的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.中國(guó)造船，2010，51(1):1 －8.

ZHAO Wei，YANG Chen-jun.Reasearch on optimized design of the pitch and camber of marine propellers［J］.Shipbuilding of China，2010，51(1):1 －8.

［2］ARNONE A，BONAIUTI D，F(xiàn)OCACCI A，et al.Parametric optimization of a high-lift turbine vane［J］.ASME GT －2004 －54308，2004.

［3］劉艷，王江峰，伍貽兆.基于遺傳算法的翼型多目標(biāo)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.飛機(jī)設(shè)計(jì)，2008，28(4):1 －5.

LIU Yan，WANG Jiang-feng，WU Yi-zhao.Multi-objective aerodynamic optimization design of airfoil based on genetic algorithm［J］.Aircraft Design，200，28(4):1 －5.

［4］HUGHES M J，KINNAS S A.An analysis method for a ducted propellerwith pre-swirlstator blades［C］.propeller/shafting 91 symposium virginia beach，virginia，september，1991.17 －18.

［5］AHN C S，KIM K Y.Aerodynamic design optimization of an axial flow compressor roto［J］.r.ASME GT － 2002 －30445，2002.

［6］陳志鵬，袁新.全工況性能優(yōu)化在壓氣機(jī)多級(jí)環(huán)境中的應(yīng)用［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2008，29(2):221 －224.

CHEN Zhi-peng，YUAN Xin.Aerodynamics optimum design of compressor blades based on numerical overall performance calculation［J］.JournalofEngineering Thermophysics，2008，29(2):221－224.

Application of controled mesh deformation technology in hydrodynamic optimization design for a ducted propeller with pre-swirl stator

LIU Min，ZHANG Ning，GAO Tong-bing，YAN Xue-lin，CHEN Xiao-ning
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

This paper applied controled mesh deformation technology to hydrodynamic profile optimization of a ducted propeller with pre-swirl stator.Open water efficiency of the optimization scheme is 2%higher than the initial scheme，and the flow separation near the blade tip is highly broken.The results of this paper indicates that mesh reconstruction method based on controled mesh deformation technology can settle the problem in the mesh automatic generation for multi-scheme design in the condition of mesh similarity and can be used in hydrodynamic optimization design for integrated propulsor.

controled mesh deformation technology;ducted propeller with pre-swirl stator;hydrodynamic optimization design

U664.34

A

1672－7649(2011)12－0019－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.004

2010－12－02;

2011－05－27

劉敏(1980－)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榇翱傮w性能及推進(jìn)器設(shè)計(jì)。