基于滑移網(wǎng)格法槳——舵相互干擾流場(chǎng)分析

陳 衛(wèi) 葉 敏

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江臺(tái)州 318020）

螺旋槳布置在船尾，其水動(dòng)力性能受到船體、舵等因素的影響，工作環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，通過單槳模型模擬螺旋槳的流場(chǎng)所得的粘性流程與實(shí)際的工況存在很大的差異，因此，很有必要考慮船體、舵等因素對(duì)于螺旋槳尾流的影響。但是，在進(jìn)行船、槳、舵一體化模擬存在著一定的困難，網(wǎng)格數(shù)龐大，不利于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

本文通過模擬螺旋槳—舵的相互干擾，在這種運(yùn)動(dòng)模式下，流場(chǎng)隨著時(shí)間呈現(xiàn)出周期性的變化，在模擬過程中采用非定常的方法計(jì)算模擬。

在處理螺旋槳與舵之間的動(dòng)靜關(guān)系中，螺旋槳區(qū)域作為網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)區(qū)域，其它區(qū)域作為靜止區(qū)域處理，采用滑移網(wǎng)格計(jì)算，其基本原理是將幾網(wǎng)格劃分成幾個(gè)區(qū)域，交界面兩側(cè)網(wǎng)格相互滑動(dòng)，而不要求交接面兩側(cè)的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)相互重合，在計(jì)算過程中使經(jīng)過其交接面的通量相等。在數(shù)值計(jì)算的過程中，通過網(wǎng)格交界面的通量是根據(jù)兩個(gè)交界面區(qū)域的相交部分來計(jì)算的。

1 數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型是基于湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε的輸運(yùn)方程上建立起來的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍ牧鲃?dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε由以下的輸運(yùn)方程描述：

運(yùn)動(dòng)方程［1－3］：

2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

本文選用螺旋槳模型為JDC4－55［4］，試驗(yàn)?zāi)Ｐ吞?hào)為9004，直徑D＝0.3036m，初始螺距比P／D＝1.0，轂徑比0.28，葉背方向取為Z軸正方向，轉(zhuǎn)速n＝900rpm，本文所采用的舵為半平衡舵，舵高272mm，通過改變進(jìn)速來改變進(jìn)速系數(shù)［5］。計(jì)算雷諾數(shù)取為1.3×106，大于臨界雷諾數(shù)。

試驗(yàn)中，采用滑移網(wǎng)格模型對(duì)不同計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算域見表1。

表1 計(jì)算域及網(wǎng)格

計(jì)算區(qū)域劃分如圖1所示，網(wǎng)格的劃分思路為螺旋槳與舵區(qū)域由于其結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，特別是螺旋槳的結(jié)構(gòu)高度扭曲，該區(qū)域采用較密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，外圍流場(chǎng)為結(jié)構(gòu)化六邊形網(wǎng)格。其余量分布如圖2所示。

圖1 流暢區(qū)域

圖2 余量分布

圖3 壓力分布

3 計(jì)算結(jié)果顯示

圖4 軸向速度分布（z＝－0.08m）

在舵角變化的情況下，螺旋槳尾流也發(fā)生變化，本文在舵角分別為30度和60度時(shí)進(jìn)行計(jì)算，隨著舵角的增加，流場(chǎng)作用在舵上的壓力有所增加，表現(xiàn)為作用在舵上的壓力峰值提高，并且壓力較大區(qū)域的面積擴(kuò)大，如圖3所示。并檢測(cè)得到距離槳葉后方0.08m處的速度分布如圖4，由檢測(cè)結(jié)果可知，隨著舵角增大，尾留的速度有減小的趨勢(shì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）模擬槳—相互干擾的粘性流場(chǎng)，表明CFD方法可以較好的模擬動(dòng)靜相互干擾的粘性流場(chǎng)。

（2）槳—舵干擾下，螺旋槳壓力分布與單槳時(shí)所得到的壓力分布趨勢(shì)相同，葉背區(qū)域壓力小，葉背區(qū)域的葉梢處是槳葉壓力的最小區(qū)域，葉面區(qū)域壓力較大。該區(qū)域的葉梢處是槳葉的壓力最大值。

（3）在舵角增大時(shí)，槳—舵之間的流場(chǎng)的速度減少，壓力變大，與理論相符。

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