吊艙螺旋槳水動力性能研究

郭安托，張吉萍，許頌捷

（1.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山　316022；2.溫州市漁業(yè)技術推廣站，浙江溫州　325003；3.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山　316022；4.上海羽翼船舶設備有限公司，上?！?01600）

吊艙螺旋槳水動力性能研究

郭安托1，2，張吉萍1，3，許頌捷4

（1.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山316022；2.溫州市漁業(yè)技術推廣站，浙江溫州325003；3.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山316022；4.上海羽翼船舶設備有限公司，上海201600）

摘要：基于數(shù)值模擬技術及實驗技術研究了吊艙槳的水動力性能。利用Fluent軟件建立了吊艙螺旋槳的幾何模型，依據(jù)流場環(huán)境進行了網(wǎng)格劃分并設置了邊界條件。通過數(shù)值模擬結果，分析了吊艙槳頁面與葉背的壓力分布特征，分析了吊艙槳的推力組成及進速系數(shù)的影響，并分析了槳盤面的流動特性。

關鍵詞：吊艙槳；水動力性能；數(shù)值模擬；壓力分布

吊艙螺旋槳是一種集推進器與舵于一體的新型船舶推進裝置［1］。與普通螺旋槳相比較，一方面，吊艙螺旋槳可以省去推進軸系、舵與側推器等裝置［2］，另一方面，受吊艙部分影響，吊艙螺旋槳的推力和轉矩系數(shù)有明顯改善。同時，吊艙部分與螺旋槳部分之間的相互干擾［3］引起推力減額及其他阻力因素的變化［4］，因此吊艙螺旋槳的水動力性能［5］研究具有重要應用價值，能夠有效指導高性能吊艙螺旋槳的設計應用。

對于船舶與海洋結構物而言，模型實驗技術是驗證水動力性能的最科學的方法，而數(shù)值模擬技術則是研究水動力性能的最有效的方法。論文應用FLUENT軟件進行吊艙螺旋槳的水動力性能數(shù)值模擬，并與模型試驗結果對比以驗證數(shù)值模擬方法的可行性，并進而在數(shù)值模擬計算結果的基礎上進行吊艙螺旋槳的水動力性能分析。

1吊艙槳數(shù)值預報

1.1數(shù)值研究方法

運用ANSYS-ICEM和ANSYS-FLUENT兩款商業(yè)軟件分別完成計算網(wǎng)格的劃分和數(shù)值預報。運用SIMPLE格式的耦合求解器對壓力項進行求解，差分離散格式選用二階迎風格式，湍流模型選用去前面研究相同的Realizable k-ε湍流模型，近壁面采用標準壁面函數(shù)。采用滑移網(wǎng)格技術完成螺旋槳旋轉的模擬，利用interface完成內部旋轉域和外部靜止遠場域之間的流動信息傳遞。

圖1　吊艙槳模型Fig.1　3D model of pod-propeller

圖2　混合面及吊艙螺旋槳表面網(wǎng)格Fig.2　Mixing plane and surface mesh of pod propeller

圖3　吊艙槳水動力特性曲線Fig.3　Open-water hydrodynamics performance

1.2吊艙螺旋槳幾何模型及網(wǎng)格布置方法

論文以某單槳拖式的吊艙槳作為研究對象，并假定其處于粘性流場區(qū)域范圍，且區(qū)域范圍為無限大的。圖1為吊艙槳的幾何模型示意圖，螺旋槳布置于吊艙區(qū)域的首部，吊艙槳的支架的橫剖面為NACA翼型，攻角度數(shù)為0。吊艙槳的主要幾何參數(shù)如下：槳葉直徑D為0.24 m；槳葉旋轉速度為n=10 r/s；槳葉為4葉。

計算域范圍為：

（1）上游速度入口在2 D以外；

（2）遠場位置設置在在3 D以外；

（3）出口位置設置在槳盤面下游8 D處。

螺旋槳的旋轉運動利用滑移網(wǎng)格技術，劃分出螺旋槳旋轉區(qū)域，靜止支架則置于是靜止域中，靜止域與旋轉域之間需要設置interface。如圖2所示，藍色網(wǎng)格區(qū)域即為interface，為了確保靜止與旋轉區(qū)域在數(shù)據(jù)交換的過程中的準確性、穩(wěn)定性，需要特別注意interface位置的網(wǎng)格大小及密度的合理性。

螺旋槳側流體運動采用MRF方法，靜止支架周圍流體運動類型給定為靜止，因此，網(wǎng)格劃分中，在螺旋槳與支架中間布置一個混合平面，圖3所示。由于動、靜區(qū)域間流動信息的相互傳遞是通過混合面進行，所以為保證粘流計算結果的穩(wěn)定性、準確性，混合面軸向位置及其網(wǎng)格密度應適當選取。

該數(shù)值模擬采用了混合網(wǎng)格技術，包含非結構化的四面體網(wǎng)格與結構化的六面體網(wǎng)格，邊界層采用非結構的三棱柱網(wǎng)格進行處理，對于螺旋槳槳葉表面、支架的隨邊與到點附近位置的網(wǎng)格進行加密。每個槳葉表面上的網(wǎng)格數(shù)量約為4 500個，整個計算域內的所有網(wǎng)格數(shù)量約為433萬。

1.3邊界條件設置

吊艙槳敞水數(shù)值預報的邊界條件設置如下：入口位置設置為來流均勻的速度入口，速度大小根據(jù)進速系數(shù)公式計算得到；出口位置設置為outflow形式的出口條件；遠場設置與入口相同的邊界條件。螺旋槳區(qū)域流體采用滑移網(wǎng)格技術處理，在（0，0，0）位置繞x軸方向以轉速大小為n進行旋轉。

2計算結果與分析

2.1數(shù)值計算結果驗證

為驗證數(shù)值計算方法的可靠性，將數(shù)值計算結果轉化為扭矩系數(shù)、推力系數(shù)，并與試驗得到的結果進行比較。圖3為敞水試驗與數(shù)值計算得到的水動力特性曲線。

從圖3可以看出，數(shù)值計算得到扭矩系數(shù)、推力系數(shù)均與試驗得到的結果相吻合，表明文中采用的數(shù)值方法的結果具有較好的準確性。

2.2槳葉表面壓力分析

圖4為進速系數(shù)為J=0.7工況下得到的槳葉表面壓力分布圖。由圖可以看到，葉面上靠近葉根部分的導邊區(qū)域為高壓區(qū)，隨邊區(qū)域及葉梢附近區(qū)域為低壓區(qū)；葉背的低壓區(qū)存在于導邊區(qū)域及葉梢區(qū)域，整體而葉面的壓力小于葉背區(qū)域的壓力，表明葉面產(chǎn)生的吸力小于葉背產(chǎn)生的推力。同時，由于葉背區(qū)域對大部分為負壓區(qū)，造成葉背區(qū)域容易出現(xiàn)空泡現(xiàn)象。

圖5為吊艙區(qū)域的壓力分布。由于螺旋槳旋轉產(chǎn)生的尾流特征是非對稱的，造成吊艙支架左側與右側的壓力分布呈現(xiàn)出非對稱的特性。由于數(shù)值選用的吊艙槳為右旋槳，流體駐點將集中于左側面，即左側面出現(xiàn)高壓區(qū)，右側容易出現(xiàn)低壓區(qū)。

圖4　　螺旋槳槳葉壓力分布圖Fig.4　Pressure contour on blade surface

圖5　　支架壓力云圖Fig.5　Pressure contour on the surface of struct

表1　　推力系數(shù)比較Tab.1　Results of thrust coefficient

吊艙槳的推力由螺旋槳產(chǎn)生的推力和吊艙產(chǎn)生的推力兩部分組成。在不同進速系數(shù)下，兩者所占的成分比例各不相同。表1為吊艙作用的推力系數(shù)和螺旋槳作用的推力系數(shù)比較。通過比較可以看到，進速系數(shù)增大時，吊艙產(chǎn)生的阻力逐漸增加，當J=0.9時，吊艙所產(chǎn)生的阻力約占總推力的15%，因此改善吊艙區(qū)域的水動力特性對提高吊艙槳的整體性能有非常重要的意義。

其中：KT1為螺旋槳產(chǎn)生的推力系數(shù)，KT2為吊艙產(chǎn)生的推力系數(shù)，KT為總推力系數(shù)。

2.3槳盤面流動特性分析

圖6為各個位置槳盤面上的壓力分布圖，其中D為螺旋槳的的直徑。由圖可以看到，螺旋槳槳葉葉面位置壓力較為集中，靠近葉背根部區(qū)域出現(xiàn)明顯的低壓帶造成這種現(xiàn)象的原因是螺旋槳旋轉時的流體的泄漏作用。在0.25 D位置附近的低壓帶的整個范圍較小，0.3 D位置靠近葉梢區(qū)域的幾乎不存在低壓帶。

圖6　槳盤面壓力等勢線分布Fig.6　Pressure contour at different axial location

3小結

通過對吊艙螺旋槳粘流問題的數(shù)值預報，表明了本文數(shù)值預報方法的準確性，技術路線及方案的可行性、有效性。以交大設計的吊艙螺旋槳為研究算例，準確地預報了其水動力性能，獲得了詳盡的微觀流動信息，并分析了其流體運動規(guī)律。計算結果表明，吊艙對推進器總體性能的影響將隨著航速的增加而增大，其貢獻將從2.3%增大到15%。因此，進速系數(shù)增加對吊艙優(yōu)化設計將提出更高的要求；根據(jù)螺旋槳表面壓力結果分析，葉背前部區(qū)域抗空泡最弱；此外，螺旋槳葉梢泄漏流動的迅速耗散，更有利于提高其抗空泡性能。

參考文獻：

［1］葉金銘，熊鷹，張偉康，等.用非定常面元法預報拖式吊艙螺旋槳水動力性能［J］.上海交通大學學報，2009，43（2）:213-217.

［2］于得會，王言英.吊艙推進器螺旋槳的敞水性能數(shù)值圖譜［J］.船海工程，2007，36（4）:38-42.

［3］YE Jinming，XIONG Ying，XIAO Changrun，et al.A New Methods Calculating Interactions between Propeller and Pod［J］.Journal of Ship Mechanics，2009，13（3）:338-346.

［4］張慶文，王言英.吊艙推進器及其螺旋槳的敞水性能估算［J］.船海工程，2006（4）:1-4.

［5］張秀鳳，尹勇，孫霄峰，等.吊艙推進船舶運動數(shù)學模型及其在航海模擬器中的應用［J］.大連海事大學學報，2013，39（2）:9-13.

中圖分類號：U661.313

文獻標識碼：A

文章編號:1008-830X（2016）01-0057-03

收稿日期：2015-11-20 基金項目：浙江省自然科學基金（LY14E090002）；國家自然科學基金（51409232）

作者簡介：郭安托（1985-），男，浙江溫州人，碩士研究生，研究方向：農業(yè)機械化.

Numerical Simulation Study on Hydrodynamic Performance of Pod Propeller

GUO An-tuo1，2，ZHANG Ji-ping1，3，XU Song-jie4
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022；2.Wenzhou Fisheries Technology Extension Service，Wenzhou325003；3.Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Provine，Zhoushan316022；4.Yoyeah Marine，Shanghai 201600，China）

Abstract:Hydrodynamic performance of pod propeller isstudied through numerical simulation technology and experimental technology.With the FLUENT software，geometric model of pod propeller is created，the mesh generation is carried out and boundary conditions are setted according with the flow field.In the base of the results from numerical simulation，the hydrodynamic performance of pod propeller is analyzed，including the pressure distribution of the blade back and blade face，the impluse composition and the influence from the advance coefficient，and the flow characteristic of the disk.

Key words:pod propeller；hydrodynamic performance；numerical simulation；pressure distribution