側斜變化對螺旋槳水動力及變形振動特性的影響

張瑞，王先洲，張志國，江偉健，陶鑄

華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

側斜變化對螺旋槳水動力及變形振動特性的影響

張瑞，王先洲，張志國，江偉健，陶鑄

華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074

由于艇后伴流場的不均勻性，螺旋槳運轉時，周期性變化的載荷與槳葉結構的耦合作用會使槳葉發(fā)生變形?；贏NSYS Workbench平臺，利用ACT_Transient FSI技術，將Fluent結果直接轉換導入有限元求解器來計算螺旋槳結構響應，從而實現艇后螺旋槳瞬態(tài)單向的耦合分析。以DTMB 4381，DTMB 4382和DTMB 4383槳為研究對象，對艇后螺旋槳的水動力特性及槳葉的變形等進行數值模擬。結果表明：隨著螺旋槳側斜角的增加，脈動推力振蕩明顯減弱，槳葉最大變形量增加，但槳葉振動明顯減弱。

螺旋槳；流固耦合；脈動推力；變形特性

0 引 言

螺旋槳是目前使用得最廣泛的船舶推進器，不少學者在其水動力性能、空泡和噪聲等方面進行了大量的計算與研究，同時對螺旋槳的槳葉振動也給予了關注。由于伴流場的不均勻性，螺旋槳運轉時會產生非定常的推力與轉矩，從而引起槳葉和軸系的振動，而螺旋槳側斜的變化又會對槳的脈動推力產生影響，進而影響到槳葉的振動。

在國內外的螺旋槳流固耦合研究領域，Georgiev等［1］基于勢流理論建立流固耦合算法，對螺旋槳進行了水動力計算；Young［2］研究了面元法與軟件ABAQUS耦合的螺旋槳流固耦合計算方法；Lin等［3］采用升力面法和九節(jié)點退化殼單元耦合算法，推導了求解復合材料螺旋槳水動力性能的算法；孫海濤和熊鷹等［4-7］在復合材料螺旋槳流固耦合算法方面進行了大量研究，建立了較為完善的流固耦合控制方程和求解算法，給出了復合材料螺旋槳預變形設計的原則；洪毅等［8］采用將基于RANS方程的計算流體力學與有限元方法相結合的方法，對復合材料螺旋槳的敞水性能進行了研究；張帥等［9-10］發(fā)展了應用CFD/CSD耦合方式分析螺旋槳流固耦合特性的求解方法；吳建嵐和周振龍［11］應用ANSYS-CFX技術對復合材料螺旋槳進行了雙向流固耦合計算。

本文將基于非定常RANS方法與有限元方法相結合的方法，利用商業(yè)軟件ANSYS Workbench中的FSI瞬態(tài)流固耦合技術，以螺旋槳DTMB 4381，DTMB 4382和DTMB 4383為對象，研究側斜變化對螺旋槳變形特性的影響，包括變形量和槳葉振動等。

1 算例說明

以直徑0.304 8 m的DTMB 4381，DTMB 4382和DTMB 4383模型為計算對象，側斜角分別為0°，36°和72°，進速系數J=0.889，來流速度2.71 m/s，轉速600 r/min；Suboff模型艇體總長4.356 m，最大直徑0.508 m。螺旋槳模型如圖1所示。

圖1 不同側斜螺旋槳模型圖Fig.1 The models of DTMB 4381，DTMB 4382 and DTMB 4383

2 網格與求解設置

將整個流場劃分為與螺旋槳同軸線的內、外2個圓柱體區(qū)域：在螺旋槳所在旋轉區(qū)域，采用網格較密的非結構化網格；在艇體所在區(qū)域，采用網格尺度稍大的結構化網格，內、外域之間通過定義interface傳遞數據。艇體帶槳網格如圖2所示。

圖2 Suboff艇體及周圍網格劃分Fig.2 The mesh of Suboff hull and propeller

槳葉在外載荷作用下將產生彎扭耦合變形。進行變形計算時，采用8節(jié)點實體單元對槳葉進行有限元剖分，單元之間通過節(jié)點相互連接，劃分的這些單元集合的整體效果與原來的連續(xù)體的效果基本相同。螺旋槳DTMB 4381的有限元網格如圖3所示。

螺旋槳材料設為銅合金，材料密度為8 300 kg/m3，楊氏模量E=110 GPa，泊松比為0.34。

槳葉為流固耦合面，槳轂為位移固支約束，如圖4所示，旋轉中心在螺旋槳軸線處，施加的螺旋槳轉速與流體求解中的螺旋槳轉速相同，可保證流固耦合計算壓力加載點完美匹配。

圖3 DTMB 4381槳的有限元網格Fig.3 Finite element mesh of DTMB 4381

圖4 DTMB 4381槳的流固耦合面設置Fig.4 Fluid-structure interaction surface of DTMB 4381

3 結果分析

3.1 敞水結果驗證

對敞水模型進行網格獨立性檢驗，確定使用的網格方案，螺旋槳旋轉域網格60萬，外流域140萬。螺旋槳DTMB 4381的敞水性能計算結果與試驗結果對比如表1所示。

表1 DTMB 4381的敞水性能比較Tab.1 The open water performance results of DTMB 4381

表1給出了螺旋槳DTMB 4381在J=0.5，0.7，0.9和1.0這4個進速系數下的水動力系數計算結果，通過對比試驗結果［12］，發(fā)現在常用進速系數區(qū)間的預報誤差可控制在4%以內，并且比較穩(wěn)定，確認了數值模擬的準確性與可靠性。

3.2 螺旋槳脈動力

對艇后螺旋槳脈動推力采用滑移網格進行非定常計算。圖5～圖7所示為不同側斜螺旋槳的整槳脈動推力曲線，從中可以注意到，當螺旋槳軸向推力以近似50 Hz的頻率振蕩時，DTMB 4381的激振力幅值與時均值之比為0.49%，DTMB 4382的激振力幅值與時均值之比為0.31%，DTMB 4383的激振力幅值與時均值之比為0.11%，振蕩的峰值最大約為螺旋槳軸向推力時均值的1%。計算結果與Liefvendahl等［13］計算的相當，Liefvendahl等計算的軸向力峰值約為推力的2%～3%，其原因可能在于每個槳葉的網格劃分不一致，以及使用網格重塑使得每個時間步所計算的網格不同而導致離散誤差。結果表明，側斜對螺旋槳激振力幅值的影響非常明顯，隨著側斜的增加，激振力震蕩明顯減弱。

圖5 DTMB 4381整槳脈動推力曲線Fig.5 Time history curve of propeller thrust of DTMB 4381

圖6 DTMB 4382整槳脈動推力曲線Fig.6 Time history curve of propeller thrust of DTMB 4382

圖7 DTMB 4383整槳脈動推力曲線Fig.7 Time history curve of propeller thrust of DTMB 4383

圖8～圖10所示為不同側斜螺旋槳的壓力分布圖。由圖可發(fā)現，壓力峰值位于壓力面近導邊處，與實際槳葉表面的壓力分布規(guī)律相符，表明本文所用的仿真方法能夠很好地捕捉到槳葉吸力面與壓力面的壓力分布。

圖8 DTMB 4381吸力面與壓力面壓力分布圖Fig.8 Pressure contours of DTMB 4381

圖9 DTMB 4382吸力面與壓力面壓力分布圖Fig.9 Pressure contours of DTMB 4382

圖10 DTMB 4383吸力面與壓力面壓力分布圖Fig.10 Pressure contours of DTMB 4383

本文采用流固耦合計算槳葉變形研究的是單個槳葉的變形振動，所以需仔細分析單槳葉推力隨時間變化的情況。圖11和圖12所示為槳葉初始相位角位置示意圖及DTMB 4381單個槳葉在不同相位角處軸向推力的變化曲線。從圖12中可以清晰地看出十字形尾翼對螺旋槳推力變化的影響，同時在90°相位角處，馬蹄渦對推力的影響也很清晰。

圖13所示為不同側斜螺旋槳單個槳葉軸向推力隨時間變化的曲線圖。從圖中可以對比看出，隨著螺旋槳側斜的增加，單槳葉的推力震蕩明顯減弱，且在90°相位角處馬蹄渦對推力的影響也明顯減弱。

圖11 槳葉初始相位角示意圖Fig.11 The initial phase angle of blade

圖12 槳葉旋轉一周不同位置處的推力Fig.12 The thrust of blade at different locations

圖13 不同側斜螺旋槳單槳葉推力曲線Fig.13 The thrust curves of DTMB 4381，DTMB 4382 and DTMB 4383

3.3 螺旋槳槳葉變形

螺旋槳槳葉表面壓力分布加載于槳葉上，通過計算，可以直觀地看到槳葉的變形云圖。圖14～圖16給出了迭代穩(wěn)定后的最大位移情況：最大變形量在葉梢處，且隨著側斜角的增加，槳葉最大變形量不斷增大；當側斜為0°時，DTMB 4381的最大位移量為0.281 mm，側斜為36°時，DTMB 4382的最大位移量為0.323 mm，側斜為72°時，DTMB 4383的最大位移量為0.479 mm，可以看出DTMB 4382槳的最大位移量與無側斜的DTMB 4381的較為接近，而側斜為72°的DTMB 4383的增大較為明顯。

圖14 DTMB 4381槳槳葉變形分布圖Fig.14 Deformation contours of DTMB 4381

圖15 DTMB 4382槳槳葉變形分布圖Fig.15 Deformation contours of DTMB 4382

圖16 DTMB 4383槳槳葉變形分布圖Fig.16 Deformation contours of DTMB 4383

3.4 螺旋槳槳葉振動

計算采用單向瞬態(tài)耦合，整理得到槳葉最大位移隨時間變化的曲線，然后，將單槳葉推力曲線的輪廓加入該曲線進行對比，如圖17～圖19所示。

圖17 DTMB 4381槳葉位移曲線Fig.17 The displacement curves of DTMB 4381

圖18 DTMB 4382槳葉位移曲線Fig.18 The displacement curves of DTMB 4382

圖19 DTMB 4383槳葉位移曲線Fig.19 The displacement curves of DTMB 4383

通過對比圖17～圖19可以看出，螺旋槳DTMB 4381的變形峰值為0.015 mm，為時均值的5.49%；螺旋槳DTMB 4382的變形峰值為0.011 mm，為時均值的3.47%；螺旋槳DTMB 4383的變形峰值為0.010 mm，為其時均值的2.12%；隨著側斜的增加，槳葉最大變形量隨之增加，但變形曲線振蕩會減弱。

圖20～圖22所示為槳葉振動加速度曲線及其頻譜響應分析圖。通過對比可以清晰地看到，隨著側斜的增加，槳葉振動幅值明顯減弱，槳葉振動減弱的原因主要有2點：一是單個槳葉表面壓力振蕩減弱；二是側斜變化有效地抑制了槳葉的振動。給出了槳葉振動曲線的頻譜特性，其峰值對應的頻率主要為40和80 Hz，其主要原因是十字形尾翼將來流分成了4個高、低速伴流區(qū)，槳葉旋轉一周會交替進入4組高、低伴流區(qū)，從而使其具有4/T=40 Hz頻率的非定常力特性，而這種非定常力加載于槳葉表面會引起槳葉變形振動頻率同樣接近于40 Hz；此外，槳葉振動加速度與槳葉表面的加載并不完全一致，在對應的二倍頻、三倍頻甚至是四倍頻處都會產生振動。另外，還可以注意到有更小的幅值，其原因可能受指揮室圍殼的影響，致使十字形尾翼分割成的4組高、低伴流不完全對稱，或者不同周期內的數值計算結果有一定的差異。

圖20 DTMB 4381單個槳葉振動加速度時域圖與頻譜分析圖Fig.20 Time history curves of vibration acceleration and the Fourier transform of the blade of DTMB 4381

圖21 DTMB 4382單個槳葉振動加速度時域圖與頻譜分析圖Fig.21 Time history curves of vibration acceleration and the Fourier transform of the blade of DTMB 4382

圖22 DTMB 4383單個槳葉振動加速度時域圖與頻譜分析圖Fig.22 Time history curves of vibration acceleration and the Fourier transform of the blade of DTMB 4383

4 結 論

本文以螺旋槳DTMB 4381，DTMB 4382和DTMB 4383為研究對象，利用ANSYS中流體載荷與結構響應數據的單向瞬態(tài)耦合技術FSI，實現將Fluent結果直接導入結構響應中進行瞬態(tài)計算，從而得到艇后螺旋槳的槳葉變形以及槳葉振動曲線。通過對不同側斜螺旋槳的水動力性能、槳葉變形以及槳葉振動曲線進行數值模擬，得到以下結論：

1）首先，對螺旋槳的敞水性能進行仿真，通過對比敞水試驗結果，確認了數值計算結果與試驗值之間的誤差以及數值模擬的可靠性與準確性；然后，通過對Suboff潛艇模型尾部不同側斜螺旋槳非定常水動力性能進行數值仿真，分析了其推力、單槳葉推力隨時間變化的規(guī)律，同時還對比了推力變化曲線與槳葉在不同位置時的伴流分布，獲得了推力峰值與伴流峰值之間的對應關系，驗證了推力變化規(guī)律與螺旋槳一階葉頻相關的一般性結論；最后，分析了側斜對螺旋槳水動力的影響，發(fā)現隨著側斜的增加，螺旋槳激振力震蕩明顯減弱，為后續(xù)槳葉變形振動的流固耦合計算做好了準備。

2）對銅合金的螺旋槳進行流固耦合計算，得到了不同側斜螺旋槳的槳葉變形及振動。槳葉變形會改變螺旋槳的幾何初始參數，導致螺旋槳的側斜有所增加，且側斜越大，槳葉變形量越大，側斜增加得越多，其抵抗變形的能力越弱；但當側斜較大時，變形曲線的震蕩會減弱，槳葉振動加速度幅值也會明顯減弱，這表明隨著側斜的增加，在槳葉抵抗變形能力減弱的同時，抵抗變形波動以及側斜波動的能力均有所增強。槳葉振動頻率并不受側斜影響，而是由艇后伴流場所決定。

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［責任編輯：盧圣芳］

Effects of blade skew on the hydrodynamic and deformation performance of propellers

ZHANG Rui，WANG Xianzhou，ZHANG Zhiguo，JIANG Weijian，TAO Zhu
School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

During the operation of submarine propellers,the fluid mechanical pressure load on the blades could result in a structural load on the component,which in turn causes deformation of the blade.In this pa?per,the structural response is analyzed with the finite element method,and the coupling simulation is ac?complished by using ACT_Transient FSI in ANSYS Workbench.The geometries of the propeller DTMB 4381～4383 are then taken as the research objects,where the deformation characteristic and hydrodynamic performance of these propellers are studied.The results show that the max blade displacement worsens with the increase of skew angles,and the vibration of the blade decreases simultaneously.

propeller；Fluid-Structure Interaction（FSI）；thrust pulsation；deformation performance

U661.1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.013

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20151110.1026.028.html期刊網址：www.ship-research.com

張瑞，王先洲，張志國，等.側斜變化對螺旋槳水動力及變形振動特性的影響［J］.中國艦船研究，2015，10（6）：87-94. ZHANG Rui，WANG Xianzhou，ZHANG Zhiguo，et al.Effects of blade skew on the hydrodynamic and deformation performanceofpropellers［J］.Chinese Journal of Ship Research，2015，10（6）：87-94.

2015-06-15 < class="emphasis_bold"> 網絡出版時間：

時間：2015-11-10 10:26

張瑞，男，1990年生，碩士生。研究方向：艦船水動力。E-mail：hust_zhangrui@hust.edu.cn王先洲（通信作者），男，1975年生，博士，講師。研究方向：艦船水動力。E-mail：wangxz@hust.edu.cn