基于CFD的雙調(diào)距槳槳葉應(yīng)力及變形仿真分析

顏昌祿,劉正林

(1.中國(guó)船級(jí)社 廣州分社，廣州 510235; 2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

?

基于CFD的雙調(diào)距槳槳葉應(yīng)力及變形仿真分析

顏昌祿1,劉正林2

(1.中國(guó)船級(jí)社 廣州分社，廣州 510235; 2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

以雙調(diào)距槳為研究對(duì)象，應(yīng)用CFD方法(FLUENT和ANSYS Workbench 軟件)，分別建立有限體積元模型和有限元模型，將有限體積元模型仿真計(jì)算得到的槳葉三維水動(dòng)力載荷施加在有限元模型的槳葉葉面上，進(jìn)行雙調(diào)距槳槳葉的應(yīng)力及變形的仿真計(jì)算與分析，揭示雙調(diào)距槳的槳葉應(yīng)力與變形隨螺距角、進(jìn)速系數(shù)的變化規(guī)律，為調(diào)距槳的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支持。

雙調(diào)距槳；槳葉應(yīng)力；槳葉變形；有限體積元模型；有限元模型

隨著船舶大型化、現(xiàn)代化和自動(dòng)化的發(fā)展，調(diào)距槳尺寸也越來(lái)越大，對(duì)性能的要求也越來(lái)越高，但目前國(guó)內(nèi)外在船舶調(diào)距槳的槳葉應(yīng)力與變形，尤其是雙調(diào)矩槳(包括雙槳的干擾問(wèn)題)的仿真計(jì)算鮮有報(bào)道。

調(diào)距槳[1-8]在工作時(shí)，工況多變、受力復(fù)雜，作用在槳葉上的軸向推力和旋轉(zhuǎn)阻力使得槳葉產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)，局部出現(xiàn)較大的應(yīng)力與變形。為了保證調(diào)距槳槳葉擁有足夠的強(qiáng)度，在工作中不發(fā)生損壞及斷裂事故，須對(duì)調(diào)距槳槳葉的應(yīng)力與變形及影響因素(如螺距角、進(jìn)速系數(shù)等)進(jìn)行分析計(jì)算，為調(diào)距槳的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支持。

1　雙調(diào)距槳槳葉強(qiáng)度計(jì)算模型

雙調(diào)距槳在正常工作時(shí)受到的載荷主要包括水動(dòng)力載荷、重力載荷，以及離心力載荷。其中，重力載荷和離心力載荷比較容易確定，關(guān)鍵問(wèn)題是解決槳葉在調(diào)距過(guò)程中所受到的水動(dòng)力載荷的大小和分布及雙槳干擾問(wèn)題。雙調(diào)距槳的水動(dòng)力載荷可應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computation fluid dynamics，CFD)方法(FLUENT和ANSYS Workbench 軟件)，分別建立雙調(diào)距槳的有限元體積模型和有限元模型，將有限元體積模型計(jì)算得到的槳葉三維水動(dòng)力載荷施加在調(diào)距槳有限元模型的槳葉葉面上，進(jìn)行雙調(diào)距槳槳葉的有限元分析，得到調(diào)距槳槳葉應(yīng)力及變形場(chǎng)分布狀況。由于2個(gè)調(diào)距槳為對(duì)稱分布，其槳面壓力、速度等分布狀況相同，因此僅以單槳為例進(jìn)行仿真計(jì)算與分析。

1.1調(diào)距槳類型及主要參數(shù)

某船的推進(jìn)器為AU型雙調(diào)距槳，旋向?yàn)橥庑Ｆ渌嚓P(guān)幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　螺旋槳的參數(shù)

1.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

1)調(diào)距槳網(wǎng)格劃分。應(yīng)用GAMBIT將調(diào)距槳槳葉各個(gè)截面上的三維型值點(diǎn)擬合成光滑的曲線，由線生成面，面合成體，生成三維槳葉模型，見(jiàn)圖1a)。通過(guò)軟件整合功能將所有零部件并成一體，組成完整的調(diào)距槳。調(diào)距槳表面網(wǎng)格選用三角形類型，采用手動(dòng)方式對(duì)槳葉的網(wǎng)格尺度進(jìn)行定義，并對(duì)槳葉葉梢、導(dǎo)邊、隨邊和槳轂等結(jié)合部位的網(wǎng)格加密，見(jiàn)圖1b)。

圖1　調(diào)距槳模型及網(wǎng)格劃分

2)計(jì)算域網(wǎng)格劃分。以船體中線為軸線，將建好的調(diào)距槳三維模型進(jìn)行鏡像陣列，得到2個(gè)旋向相反的調(diào)距槳。2個(gè)螺旋槳在同一截面上，2槳軸線間距為2.5D(D為調(diào)距槳直徑)。

工作時(shí)，調(diào)距槳周圍流體隨槳一起轉(zhuǎn)動(dòng)。為了模擬調(diào)距槳周圍的流場(chǎng)，在調(diào)距槳外部創(chuàng)建一個(gè)大型圓柱體作為流場(chǎng)控制體。控制體長(zhǎng)10D，直徑6D。流場(chǎng)區(qū)域分成兩部分：將調(diào)距槳四周設(shè)為圓柱體旋轉(zhuǎn)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)區(qū)域長(zhǎng)0.8D，直徑1.6D，用來(lái)仿真模擬調(diào)距槳周圍流體的流動(dòng)；除旋轉(zhuǎn)區(qū)域外，流場(chǎng)區(qū)域的其余區(qū)域設(shè)為靜止區(qū)域。

對(duì)圓柱形流場(chǎng)區(qū)域劃分網(wǎng)格時(shí)，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Tet和Hybrid混合單元)，見(jiàn)圖2。模型整個(gè)流場(chǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)有20多萬(wàn)個(gè)，網(wǎng)格單元有300多萬(wàn)個(gè)，其中，最大體網(wǎng)格體積為0.12 mm3，而最小體網(wǎng)格體積只有0.041 5 mm3。

圖2　計(jì)算域網(wǎng)格劃分側(cè)視

3)邊界條件。在調(diào)距槳水動(dòng)力的敞水計(jì)算中，選用FLUENT軟件中的多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型(即MRF模型)。進(jìn)口為速度進(jìn)口，出口為自由出口；流體湍流模型采用k-ε計(jì)算模型。外部靜止區(qū)域的圓柱體表面設(shè)置為壁面(WALL)，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域與外部圓柱靜止區(qū)域間重合的圓柱體表面設(shè)為INTERFACE面。在導(dǎo)入FLUENT后將這2個(gè)重合表面連接起來(lái)，形成一對(duì)交接面，以便于外部靜止區(qū)域與內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域的數(shù)據(jù)和能量的交換。調(diào)距槳表面邊界條件設(shè)定為壁面(WALL)，在導(dǎo)入FLUENT后成為與內(nèi)部旋轉(zhuǎn)區(qū)域同軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)壁面。整個(gè)流域的邊界條件見(jiàn)圖3。當(dāng)調(diào)距槳轉(zhuǎn)速為360 r/min，進(jìn)速系數(shù)J=0.5，速度進(jìn)口為10 m/s時(shí)，調(diào)距槳的槳葉葉面壓力分布云圖見(jiàn)圖4。

圖3　整體模型計(jì)算域邊界條件示意

圖4　螺距角35°時(shí)葉面壓力云圖

1.3雙調(diào)距槳有限元模型和槳葉載荷

調(diào)距槳結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析需要調(diào)距槳實(shí)體有限元模型，而調(diào)距槳流場(chǎng)模擬需要調(diào)距槳外部流場(chǎng)模型(有限體積元模型)。但這2種模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在調(diào)距槳槳葉交界面處不一定能一一對(duì)應(yīng)，須遵循空間距離就近原則，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件將該處的2種網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一配對(duì)，然后將在調(diào)距過(guò)程中由有限體積元模型計(jì)算得到的槳葉表面的水動(dòng)力載荷信息完全映射到調(diào)距槳有限元模型的槳葉表面，然后進(jìn)行槳葉應(yīng)力和變形仿真計(jì)算。加載后的調(diào)距槳葉面和葉背有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5　加載后調(diào)距槳荷限元模型

2　槳葉應(yīng)力及變形有限元分析

計(jì)算中假定進(jìn)速系數(shù)J=0.3、0.5、0.7，轉(zhuǎn)速n=360 r/min，槳葉螺距角為35°、10°、0°和-20°，應(yīng)用ANSYS Workbench軟件，對(duì)調(diào)距槳在調(diào)距過(guò)程中的應(yīng)力與變形狀況進(jìn)行分析。

1)調(diào)距過(guò)程中槳葉的應(yīng)力場(chǎng)分析。當(dāng)J=0.5，其他條件不變時(shí)，葉面的等效壓力分布見(jiàn)圖6。

圖6　不同螺距角時(shí)槳葉的等效壓力頒云圖

由圖6可見(jiàn)，雖然調(diào)距槳螺距角不同，但應(yīng)力集中區(qū)域均出現(xiàn)在槳葉葉根處，應(yīng)力由槳葉葉根到葉梢逐漸減??；螺距角為35°時(shí)，最大應(yīng)力為61.479 MPa。槳葉葉面和葉背應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，都在槳葉葉根處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，最大應(yīng)力為61.497 MPa，與葉面幾乎相等，見(jiàn)圖6a)和圖7所示。因此，槳葉葉根處的強(qiáng)度問(wèn)題在設(shè)計(jì)中須重點(diǎn)考慮。

圖7　螺距角為35°時(shí)葉背等效壓力分布云圖

當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J=0.3、0.5、0.7時(shí)，槳葉在不同螺距角下的最大應(yīng)力變化狀況見(jiàn)圖8。

圖8　調(diào)距中槳葉最大應(yīng)力變化

由圖8可知，當(dāng)調(diào)距槳由最大正車螺距角35°變?yōu)樽畲蟮管嚶菥嘟?20°的過(guò)程中，槳葉最大應(yīng)力值先逐漸減小，在螺距角為0° 左右時(shí)達(dá)到最小，然后再逐漸增大。與最大正車螺距角的應(yīng)力場(chǎng)分布相比，最大倒車螺距角更加復(fù)雜，最大應(yīng)力值也比較大。在槳葉螺距角相同時(shí)，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，槳葉最大應(yīng)力值會(huì)逐漸降低。

2)調(diào)距過(guò)程中槳葉的扭曲與變形。在調(diào)距過(guò)程中，調(diào)距槳槳葉在水動(dòng)力等因素的共同作用會(huì)產(chǎn)生一定程度的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形。當(dāng)J=0.5，其他條件不變時(shí)，槳葉葉面變形見(jiàn)圖9。

圖9　不同螺距角時(shí)槳葉的葉面變形分布云圖

由圖9可見(jiàn)，雖然調(diào)距槳螺距角不同，但最大變形均出現(xiàn)在槳葉葉梢處，由葉梢到葉根逐漸減小。當(dāng)螺距角為-20°時(shí)，葉面最大變形量為0.000 797 m。槳葉的葉背變形云圖與葉面變形云圖基本一致，見(jiàn)圖9a)和圖10所示。

圖10　螺距角為35°時(shí)葉背變形分布云圖

當(dāng)調(diào)距槳進(jìn)速系數(shù)J=0.3、0.5、0.7時(shí)，不同螺距角的槳葉葉面最大變形量見(jiàn)圖11。

圖11　調(diào)距中槳葉最大變形量變化

由圖11可見(jiàn)，當(dāng)調(diào)距槳由最大正車螺距角35°變?yōu)樽畲蟮管嚶菥嘟?20°的過(guò)程中，槳葉最大變形的變化規(guī)律與圖8相同。最大倒車螺距角的槳葉變形量大于最大正車螺距角。當(dāng)槳葉螺距角相同時(shí)，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，槳葉最大變形量逐漸減小。

3　結(jié)論

1)在雙調(diào)距槳槳葉葉根處出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力從槳葉葉根到葉梢逐漸減小；葉梢處變形最大，從葉梢到葉根逐漸減小。槳葉葉面和葉背的應(yīng)力與變形分布規(guī)律基本相同。

2)當(dāng)調(diào)距槳螺距角由35°變?yōu)?20°的過(guò)程中，槳葉最大應(yīng)力值先逐漸減小，在螺距角為0° 左右時(shí)達(dá)到最小，然后再逐漸增大。倒車時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布比較復(fù)雜，不同螺距角的最大應(yīng)力值均高于相應(yīng)的正車螺距角。當(dāng)槳葉螺距角相同時(shí)，隨著進(jìn)速系數(shù)增加，槳葉最大應(yīng)力值逐漸降低。

3)當(dāng)調(diào)距槳螺距角由35°變?yōu)?20°的過(guò)程中，槳葉最大變形的變化規(guī)律與最大應(yīng)力相同。當(dāng)槳葉螺距角相同時(shí)，槳葉最大變形隨著進(jìn)速系數(shù)的增加而減小。

今后應(yīng)繼續(xù)探討雙調(diào)距槳布置方式(槳與槳間距、槳軸線的縱傾角與外張角)對(duì)調(diào)距槳的槳葉應(yīng)力與變形的影響，為提高調(diào)距槳的可靠性及推進(jìn)效率提供技術(shù)支持。

[1] 黃毅，許輝，姜治芳．大側(cè)斜螺旋槳強(qiáng)度校核探討[J].中國(guó)艦船研究，2010(10)：44-48.

[2] 劉竹青，陳奕宏，姚志崇．基于面元法及有限元法耦合的螺旋槳強(qiáng)度計(jì)算[J].中國(guó)造船，2012(6)：25-29.

[3] 田斌斌，姜治芳，朱英富．側(cè)斜螺旋槳槳葉強(qiáng)度計(jì)算及其可靠性分析[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2002，24(6)：10-12.

[4] 楊瓊方，王永生，劉承江.調(diào)距槳調(diào)距過(guò)程中葉元體受力的CFD分析方法研究[J]．船舶力學(xué)，2010，14(5)：458-465.

[5] ANDREW Kendrick，P Eng L Blair Carroll. Laurent propeller damage analyses[R]．Canada：Transportation Development Centre Transport Canada，2003.

[6] SZANTYR J A. The crucial contemporary problems of the computational methods for ship propulsor hydrodynamics[J]．Archives of Civil an Mechanical Engineering，2008，8(1)：69-95.

[7] Stern,Wilson，COLEMAN R F. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations,Part 1：Methodology and procedures[J]．ASME J.Fluids Eng，2001(3)：793-802.

[8] Stern，Wilson，COLEMAN R F. Comprehensive approach to verification and validation of CFD simulations，Part 2：Application for RANS simulation of a cargo/container ship[J]．ASME J.Fluids Eng，2001(4)：803-810.

Simulation Analysis on Stress and Deformation of Twin Controllable Pitch Propeller Blades Based on CFD

YAN Chang-lu1, LIU Zheng-lin2

(1.Guangzhou Branch of China Classification of Society, Guangzhou 510235, China;2.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

Both finite volume element model and the finite element model of twin controllable pitch propeller are established with CFD method including FLUENT and ANSYS Workbench software respectively. The three-dimensional hydrodynamic loads of the propeller blade which are obtained by finite volume element model are applied upon the propeller blade surface of the finite element model, to carry out the simulation of stress and deformation of the propeller blades. The numerical results reveals the variation law of stress and deformation of the controllable pitch propeller blades with pitch angle and advance coefficient, and provides the theoretical support to design and optimization of the controllable pitch propeller.

twin controllable pitch propeller; blade stress; blade deformation; finite volume element model; the finite element model

2016-07-07

2016-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(51379168, 51139005)

顏昌祿(1984—)，男，碩士，工程師

U664.31

A

1671-7953(2016)04-0141-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.033

研究方向:船舶動(dòng)力裝置

E-mail:clyan@ccs.org.cn