轂帽鰭的節(jié)能機理分析

齊慧博，劉業(yè)寶，張克正，胡麗芬（.魯東大學(xué) 交通學(xué)院，山東 煙臺 6405；.中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 00076）

轂帽鰭的節(jié)能機理分析

齊慧博1，劉業(yè)寶2，張克正1，胡麗芬1
（1.魯東大學(xué) 交通學(xué)院，山東 煙臺 264025；2.中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心，北京 100076）

應(yīng)用計算流體力學(xué)方法（CFD），結(jié)合 RNG 湍流模型和動參考系計算模型（MRF），對普通槳和槳+ 轂帽鰭的敞水水動力性能進(jìn)行計算，通過對轂帽鰭及螺旋槳葉片的受力情況進(jìn)行研究，結(jié)合普通槳和槳+轂帽鰭2種情況的槳后尾流場分析，結(jié)果表明，槳后轂帽鰭上產(chǎn)生的推力和扭矩有限，槳+轂帽鰭的節(jié)能機理主要是利用轂帽鰭削弱了轂渦，改善了槳后流場周向速度，提高了前槳的推力，從而提高了效率。

螺旋槳；轂帽鰭；節(jié)能機理；計算流體力學(xué)

0　引 言

船舶運輸在我國交通運輸中占有很大比例，消耗能源較多，因此，船舶節(jié)能技術(shù)的研究和應(yīng)用對降低船舶能耗和減少環(huán)境污染具有重要意義。目前國內(nèi)外對船用節(jié)能裝置的研究較多，研究表明，螺旋槳轂帽鰭就是一種有效的節(jié)能裝置。本文應(yīng)用 CFD 方法對螺旋槳轂帽鰭的水動力性能進(jìn)行預(yù)報，并與不加轂帽鰭的螺旋槳的水動力特性進(jìn)行比較，分析了轂帽鰭的節(jié)能機理。

1　控制方程與湍流模型

1）控制方程

在相對坐標(biāo)系中，敞水條件下的螺旋槳繞流呈現(xiàn)定常流動狀態(tài)。RANS 方程是粘性流體運動學(xué)和動力學(xué)的普適性控制方程，所以本文以 RANS 方程為求解螺旋槳水動力性能計算的基本方程，其形式如下［1］：

式中：ui，uj為速度分量時均值（i，j=1，2，3）；P為壓力時均值；ρ為流體密度；μ0為流體粘性系數(shù)；fi為單位質(zhì)量的質(zhì)量力為雷諾應(yīng)力項。

2）湍流模型的選取

湍流出現(xiàn)在速度發(fā)生變動的地方，這種波動使得流體介質(zhì)之間相互交換動量、能量和濃度變化，而且引起了數(shù)量的波動。本文在計算時應(yīng)用了模型的改進(jìn)方案模型。

2　計算模型的建立

本文所選取的母型槳為 B 4-70 型槳，普通槳與轂帽鰭的主要幾何參數(shù)如表1和表2所示。

表1　B 4-70 螺旋槳的幾何參數(shù)Tab.1 Dimensions of B4-70 Propeller

表2　轂帽鰭的幾何參數(shù)Tab.2 Dimensions of PBCF

采用 Fortran 語言根據(jù)螺旋槳及轂帽鰭型值編程建立幾何模型，與 Gambit 相結(jié)合建立螺旋槳及槳+轂帽鰭計算模型［3］，所建立的槳+轂帽鰭的模型如圖1所示。

圖1　轂帽鰭螺旋槳模型Fig.1　The model of the PBCF

選用的控制域為圓柱形控制域，控制域與計算對象的大小關(guān)系為：控制域直徑不得小于計算對象直徑的3 倍，長度不得小于計算對象長度的5 倍，由于計算所采用的螺旋槳的直徑為 0.24m，長度為 0.17m，因此為了減少控制域壁面對螺旋槳產(chǎn)生影響，以使計算結(jié)果的精確度不受控制域影響，所選用的控制域直徑定為 0.8m，長度定為 2.4m。同時，為對螺旋槳附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，在螺旋槳外建立一個小的圓柱域，比螺旋槳稍大，在圓柱域內(nèi)部可以進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化［4］。建立的控制域如圖2所示。

圖2　螺旋槳轂帽鰭及整個流域三維圖Fig.2　The three dimension chart of PBCF and full flow field

由于螺旋槳槳葉以及槳轂的幾何表面比較復(fù)雜，不規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格困難較大，因此本文在計算過程中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法對數(shù)值求解流動問題非常有效，有限控制體采用的單元可以為任意形狀，具有良好的貼體性及自適應(yīng)性，并且網(wǎng)格生成比較容易［4］。槳+轂帽鰭表面的網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

在對螺旋槳進(jìn)行敞水性能計算過程中，敞水螺旋槳的水動力性能，如推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)在螺旋槳穩(wěn)定后不隨時間的變化而變化，在進(jìn)速系數(shù)固定的情況下為一定值，因此，在這種定常情況下，本文選取動參考系模型（MRF）［5］。

圖3　螺旋槳轂帽鰭表面網(wǎng)格劃分Fig.3　Grid division of PBCF

敞水螺旋槳性能：

式中：Tp為螺旋槳的推力；Qp為螺旋槳的轉(zhuǎn)矩；ρ為水的密度；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳的直徑。

槳+轂帽鰭性能：

式中：Tp+ Tbcf為槳+轂帽鰭的推力；Qp+ Qbcf為槳 +轂帽鰭的轉(zhuǎn)矩。

在設(shè)置邊界條件時，入口的邊界條件設(shè)為速度入口（VELOCITY-INLET），給定均勻來流的速度大?。怀隹诘倪吔鐥l件設(shè)為自由出口（OUTFLOW）。螺旋槳表面滿足的邊界條件必須為不可穿透，無滑移，因此，螺旋槳及大域的邊界條件均設(shè)為壁面邊界（WALL）［7］。

3　敞水螺旋槳和槳+轂帽鰭螺的受力比較

本文在計算時，選取的進(jìn)速系數(shù)分別為 0.3，0.5，0.7，0.9，螺旋槳轉(zhuǎn)速定為 300 r/min，通過改變來流速度來對進(jìn)速系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過計算，得出了在不同的進(jìn)速系數(shù)下普通螺旋槳和槳+轂帽鰭（帶鰭槳）的水動力性能，根據(jù)公式（4）～式（8）計算出了推力系數(shù)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率［6］。普通螺旋槳和槳+轂帽鰭性能如圖4所示。由圖4可以看出，槳+轂帽鰭的推力系數(shù)要大于敞水槳，而轉(zhuǎn)矩系數(shù)比普通槳略有減少，使得槳+轂帽鰭的效率增加。

圖4　槳+轂帽鰭與普通槳的水動力性能曲線Fig.4　The curves of propeller's performance

4　轂帽鰭的受力分析

進(jìn)一步分析轂帽鰭性能，對轂帽鰭的水動力性能進(jìn)行研究。轂帽鰭表面的受力分布如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可看出，轂帽鰭葉面受力較小，葉背受力較大，而鰭兩側(cè)的受力較大、較小位置主要集中在葉根的導(dǎo)邊處。

圖5　轂帽鰭表面受力分布圖Fig.5　The pressure distribution of BCF

圖6　單個鰭葉面和葉背的受力分布Fig.6　The pressure distribution of BCF's blade

經(jīng)過計算，得出轂帽鰭在不同進(jìn)速下沿x方向的受力曲線和繞x軸的轉(zhuǎn)矩如圖7所示。

圖7　轂帽鰭水動力性能曲線Fig.7　The curves of BCF's performance

由圖7可看出，轂帽鰭在x方向上的受力為阻力，繞x軸的轉(zhuǎn)矩與槳葉轉(zhuǎn)矩相反，對轂帽鰭葉片進(jìn)行受力分析如圖8所示。

圖8　轂帽鰭受力分析圖Fig.8　The mechanics analysis of BCF

由于轂帽鰭的葉背受力大于葉面，因此轂帽鰭的受力方向指向葉面，將力沿軸向和徑向進(jìn)行分解，軸向的分力產(chǎn)生阻力，而徑向的分力產(chǎn)生力負(fù)彎矩。但轂帽鰭上的推力和扭矩值較小。

5　尾流場分析

分別對槳+轂帽鰭及普通槳后的流場進(jìn)行監(jiān)測，如圖9和10所示。

圖9　轂帽鰭后的流場分布Fig.9　The velocity after BCF

圖9和圖10 分別為有轂帽鰭情況下和沒有轂帽鰭情況下槳轂后距螺旋槳中心 0.32 D處截面的軸向速度，徑向速度和周向速度分布圖。由2種情況下的相互對比可看出，安裝轂帽鰭情況下槳轂后截面的軸向誘導(dǎo)速度和徑向誘導(dǎo)速度與普通螺旋槳槳轂后的情況相差不大。而安裝轂帽鰭對槳轂后的周向誘導(dǎo)速度影響很大，普通螺旋槳槳轂后的周向誘導(dǎo)速度在槳轂中心處的轉(zhuǎn)速最大，即轂渦較大；在安裝轂帽鰭情況下，槳轂中心的周向誘導(dǎo)速度明顯減小，而在轂帽鰭半徑位置處的周向誘導(dǎo)速度最大，這也是導(dǎo)致轂帽鰭葉背受力大于葉面的原因。

圖10　普通槳轂后的流場分布Fig.10　The velocity after hull

6　結(jié) 語

本文應(yīng)用 CFD 方法對槳+轂帽鰭和普通槳的水動力性能進(jìn)行計算，分析轂帽鰭的節(jié)能機理。分析表明，槳后轂帽鰭上產(chǎn)生的推力和扭矩有限，槳+轂帽鰭的節(jié)能機理主要為改善了槳后流場周向速度，提高了前槳的推力，從而提高了效率。

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The energy saving mechanism analysis of propeller boss cap fins

QI Hui-bo1，LIU Ye-bao2，ZHANG Ke-zheng1，HU Li-fen1
（1.Lu dong University，Yantai 264025，China； 2.China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center，Beijing 100076，China）

A computational fluid dynamics（CFD）method，combined with RNG turbulence model and the dynamic reference frame model（MRF），was used to calculate the hydrodynamic performance of normal propeller and propeller boss cap fins in open water.Through researching the force distribution on the propeller and the fins，combined with the analyzing of the wake fields of normal propeller and propeller with boss cap fins，the results showed that the thrust and torque produced by the fins were very little，the energy saving mechanism of fins was to improve the circumferential velocity of the flow field after the propeller，and then improved the thrust of the main propeller，thereby raised the efficiency.

propeller；propeller boss cap fins；energy saving mechanism；CFD

U664.33

A

1672-7619（2016）07-0138-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.031

2015-12- 14；

2016-01- 15

國家自然科學(xué)基金青年資金資助項目（51509124）

齊慧博（1985-），男，碩士，助教，主要從事船舶推進(jìn)與節(jié)能方向研究。