基于CFD分析的調(diào)距槳水動力性能研究

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(上海漢力士船用機(jī)械有限公司，上海 201120)

可調(diào)螺距螺旋槳(簡稱為調(diào)距槳)的出現(xiàn)和發(fā)展，使船舶的機(jī)動性和經(jīng)濟(jì)性得到了巨大的發(fā)展。調(diào)距槳可以通過液壓機(jī)構(gòu)使葉片沿自身軸向轉(zhuǎn)動來改變螺距，快速實現(xiàn)調(diào)整推力輸出的功能，從而實現(xiàn)減速和倒車;同時調(diào)距槳還能保證發(fā)動機(jī)在任何工況下發(fā)出全功率[1]。因為調(diào)距槳性能優(yōu)于一般定距槳，近年來發(fā)展很快。隨著計算流體力學(xué)和計算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬被越來越多的應(yīng)用于調(diào)距槳的水動力性能的研究上。運用數(shù)值模擬能夠滿足調(diào)距槳的工程設(shè)計需求[2-3]。

本公司在進(jìn)行調(diào)距槳開發(fā)設(shè)計伊始，使用理論設(shè)計方法計算調(diào)距槳的水動力性能，并通過實驗校核計算結(jié)果。

1 控制方程與湍流模型

1.1 控制方程

流體動力學(xué)控制方程是一組包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律構(gòu)成的微分方程組。連續(xù)性方程和運動方程中除了未知的速度矢量和壓力外，還有密度和運動粘性系數(shù)兩個物性參量，一般說來密度和運動粘性系數(shù)也是變量，運動粘性系數(shù)主要取決于溫度，當(dāng)流體在恒溫下或溫度變化不大時，運動粘性系數(shù)的變化可以忽略不計。液體的壓縮性小，忽略密度的變化。

1.2 湍流模型

湍流是空間中不規(guī)則和時間上無序的一種高度復(fù)雜的非線性的流體運動，由于湍流本身過于復(fù)雜，直到現(xiàn)在仍有些基本問題尚未解決[4]。本次模擬計算選用的湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)的模型。湍流模型中的引入系數(shù)和常數(shù)按照經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取[5]。

2 計算模型的建立

2.1 調(diào)距槳模型的基本參數(shù)

調(diào)距槳計算模型來自本公司的2 300 t海事船項目，螺旋槳參數(shù)為直徑D=2.70 m;平均螺距比P/D=1.03;盤面比Ae/Ao=0.72;葉數(shù)4;右旋向。

2.2 槳葉模型的建立

在三維制圖軟件中生成曲面構(gòu)造的螺旋槳數(shù)值模型，見圖1。

圖1 2 300 t海事船調(diào)距槳三維模型示意

在建模過程中使用的是直角坐標(biāo)系O-XYZ，z軸為螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸，y軸與槳葉參考線一致，x軸服從右手系。

2.3 建立計算控制域

為討論調(diào)距槳的水動力性能，需要把三維螺旋槳模型置于流場域中。選用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(MRF)模型，假定計算域水流旋轉(zhuǎn)，螺旋槳靜止。

2 300 t海事船調(diào)距槳控制域見圖2。

圖2 2 300 t海事船調(diào)距槳控制域

本文建立4個控制域，一個為包裹螺旋槳的小旋轉(zhuǎn)控制域，其它3個大域為純來流的控制域?？刂朴蚬玫拿嬖O(shè)置為內(nèi)部面，從而不影響每兩個控制域內(nèi)的能量、速度和溫度等參數(shù)的交換。所有計算域都取為圓柱體，控制域的直徑為螺旋槳直徑的8倍，長度為螺旋槳直徑的16倍，這樣可以避免壁面效應(yīng)的影響[6]。

3 網(wǎng)格劃分與邊界條件的設(shè)定

3.1 網(wǎng)格劃分

由于2 300 t海事船項目的調(diào)距槳槳葉及其槳轂的表面較為復(fù)雜，不規(guī)則，因此在處理螺旋槳表面的網(wǎng)格時采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用任意形狀的單元作為有限控制體單元。同時由于在槳葉水動性能計算過程中，導(dǎo)邊、隨邊、葉根等位置的重要性，在網(wǎng)格劃分時應(yīng)對上述區(qū)域進(jìn)行局部加密。槳葉表面網(wǎng)格示意圖和整個計算域的網(wǎng)格分別見圖3、4。

圖3 槳葉葉面網(wǎng)格示意

圖4 整個計算域網(wǎng)格示意

3.2 邊界條件設(shè)定

在調(diào)距槳的敞水性能計算過程中，包裹槳葉的計算區(qū)域相對某個參考坐標(biāo)系作旋轉(zhuǎn)運動，其它控制域靜止，因此選用CFD軟件提供的多項運動參考坐標(biāo)系模型(即MRF模型)。

采用基于壓力耦合的粘性求解器。壓力-速度耦合引用SIMPLE方法[7]。湍流模型κ-ε模型。對壓力項采用PRESTO!格式離散。動量方程其余項、湍流模型方程湍流動能和湍流耗散率項均采用二階迎風(fēng)格式作離散。

在進(jìn)口邊界處設(shè)置為速度進(jìn)口條件，給定均勻來流的速度；出口邊界給定表壓為0，即與參考點靜壓相等；圓柱體表面上遠(yuǎn)場外邊界同樣設(shè)為固壁邊界；公共面設(shè)置為內(nèi)部面；計算域內(nèi)的流體置為繞z軸以角速度n旋轉(zhuǎn)。

4 數(shù)值計算結(jié)果及分析

分別計算調(diào)距槳在螺距角等于-26°、-16°、0°、10°、16°、20°、26°、30°時的轉(zhuǎn)葉力矩(繞葉片設(shè)計參考線剛性轉(zhuǎn)動、葉片設(shè)計參考線垂直于槳軸)和敞水性能預(yù)報。

計算得到螺旋槳在某個螺距角情況下較為詳細(xì)的壓力分布等信息[8]。在設(shè)計螺距角(26°)時槳葉葉背壓力分布可以看出，在葉背靠近導(dǎo)邊的區(qū)域壓力較小，隨邊的壓力較大，見圖5在設(shè)計螺距角(26°)時槳葉葉面壓力分布可以看出，在葉根部位壓力最小，隨著槳葉半徑的增加壓力相應(yīng)增加，在0.7R～0.8R處在導(dǎo)邊和隨邊周圍壓力達(dá)到最大值，到達(dá)葉梢時壓力又出現(xiàn)減小，見圖6。

通過CFD軟件,計算船速為18 kn，螺旋槳轉(zhuǎn)速在257 r/min時不同螺距(上述8個螺距)下的水動力性能曲線，從而求出螺旋槳的推力系數(shù)Kt、轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq以及敞水效率。結(jié)果見表1，

對比計算值和設(shè)計值并繪制曲線見圖7～9。

表1 不同螺距下敞水性能和轉(zhuǎn)葉力矩

注:螺旋槳轉(zhuǎn)速為257 r/min，進(jìn)速為8.56 m/s

圖7 不同螺距下推力系數(shù)對比

圖8 不同螺距下轉(zhuǎn)矩系數(shù)對比

圖9 不同螺距下敞水效率對比

對比圖7～9可以看出，在-26°、-16°、0°、10°、16°、20°、26°、30°等8個不同螺距角情況下，數(shù)值計算與理論設(shè)計值之間Kt和Kq的平均誤差分別為-4.6%和-4.9%，敞水效率的平均誤差為-4.8%。計算所得的Kt曲線、Kq曲線、敞水效率曲線都小于理論計算值，但誤差幅度都控制在5%內(nèi)。

總體來看，在不同螺距角的工況下所計算出的單片槳葉的推力值與設(shè)計理論值較為吻合。以設(shè)計螺距角(26°)時計算值為例，單片槳葉計算推力48.6 kN，而設(shè)計值為50.2 kN，誤差在3%左右。螺旋槳的推力系數(shù)曲線和轉(zhuǎn)矩系數(shù)曲線與設(shè)計理論值與理論值也基本一致。

5 結(jié)論

1)初步探討了采用CFD軟件對實際工程中的調(diào)距槳進(jìn)行敞水性能計算的方法，通過對比設(shè)計理論值，來確定計算方法的可行性和準(zhǔn)確性。

2)在調(diào)距槳的數(shù)值計算結(jié)果中，能夠較為清晰地觀察槳葉葉面和葉背的壓強(qiáng)分布，可以快速初步判斷可能產(chǎn)生空泡的位置，同時也為后續(xù)流固耦合計算打下基礎(chǔ)。

3)對本公司的2 300 t海事船工程項目的調(diào)距槳在螺距角分別為-26°、-16°、0°、10°、16°、20°、26°、30°時計算了轉(zhuǎn)葉力矩和敞水性能。得到了不同螺距角下螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)，計算結(jié)果與理論設(shè)計值誤差率小于5%，因此采用此種計算方法基本能滿足工程設(shè)計需求。

[1] 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2004.

[2] 吳望一.流體力學(xué)(上下冊)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.

[3] 王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4] 李福田，倪浩清.工程湍流模式的研究開發(fā)及其應(yīng)用.水力學(xué)報，2001(05)：22-31.

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[7] 闖振菊.CFD法研究吊艙推進(jìn)器的水動力性能[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[8] 許 輝，鄒早建.基于FLUENT軟件的小水線面雙體船粘性流數(shù)值模擬[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.2004,28(1)：8-10.