導(dǎo)管螺旋槳敞水性能數(shù)值計(jì)算方法研究

吳湘榮，王永生，蔣　超

（海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

導(dǎo)管螺旋槳敞水性能數(shù)值計(jì)算方法研究

吳湘榮，王永生，蔣超

（海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

為實(shí)現(xiàn)快速預(yù)報(bào)導(dǎo)管螺旋槳敞水性能曲線，利用 CFD 流體計(jì)算軟件對(duì)導(dǎo)管螺旋槳敞水試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬。將計(jì)算結(jié)果繪制成的敞水性能曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能進(jìn)行分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算方法的可行性與準(zhǔn)確性。分析螺旋槳敞水工作時(shí)的推力、力矩及敞水效率的變化特點(diǎn)發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)速的增大，導(dǎo)管產(chǎn)生的推力不斷減小并在高航速下轉(zhuǎn)化為阻力。研究該導(dǎo)管槳在系泊工況下的敞水性能指標(biāo)，對(duì)系泊工況邊界條件的設(shè)置進(jìn)行改進(jìn)。

CFD；導(dǎo)管螺旋槳；定常計(jì)算；性能分析；系泊工況

0　引　言

導(dǎo)管螺旋槳與普通螺旋槳的不同之處在于其槳的外圍多了 1 個(gè)套筒，該套筒的縱剖面為機(jī)翼型或折角型［1］，此為導(dǎo)管螺旋槳的導(dǎo)管。增加導(dǎo)管后，螺旋槳與導(dǎo)管成為一個(gè)整體，其周圍的流場(chǎng)與未增加導(dǎo)管時(shí)大不相同［2］。對(duì)于加速型導(dǎo)管來(lái)說(shuō)，首先可使槳盤面處的水流加速，使螺旋槳工作在較大的速度場(chǎng)，從而提高槳的效率［3］；另一方面，由于葉稍和導(dǎo)管的間隙很小，由葉面和葉背的壓力差引起的繞流大大減小，其能量損頭也就減小。因此加速導(dǎo)管螺旋槳具有效率高、推力大、在風(fēng)浪中的性能較好等特點(diǎn)［4］。

螺旋槳型值表的槳葉幾何模型建立及計(jì)算域空間網(wǎng)格離散是其水動(dòng)力性能 CFD 預(yù)報(bào)的2個(gè)前提步驟［5］。為了比較準(zhǔn)確地刻畫槳葉導(dǎo)邊、隨邊、葉稍及葉尖等幾何細(xì)節(jié)部分，槳葉幾何通常都是在 CAD 軟件中完成，比如 UG。網(wǎng)格劃分通常分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。從計(jì)算機(jī)資源利用率、網(wǎng)格數(shù)值耗散大小還是槳葉幾何細(xì)節(jié)的刻畫來(lái)說(shuō)，六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格優(yōu)于四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格［6-8］。上述觀點(diǎn)成立的前提是網(wǎng)格劃分及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要合理，這是使用軟件進(jìn)行求解的核心技術(shù)所在［9］。

陳寧、賴海清等采用圖譜估算方法對(duì)綜合舵槳系統(tǒng)的導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算和研究，并結(jié)合導(dǎo)管螺旋槳的敞水試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，將計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的誤差控制在 11% 以內(nèi)［10］。

1　數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

螺旋槳保持一定的轉(zhuǎn)速在均勻流體中旋轉(zhuǎn)，視為槳在軸向靜止，假定其周圍為旋轉(zhuǎn)水域，螺旋槳與之保持相對(duì)靜止。本研究采用不可壓縮流體 RANS 方程作為求解旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)特性的控制方程。

質(zhì)量方程：

動(dòng)量方程

式中：t 為時(shí)間；ρ 為密度；μ 為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；ui和 uj為速度分量時(shí)均值；P 為靜壓；xi和 xj分別為 i 和 j 方向上的位置坐標(biāo)；gi為單位質(zhì)量的重力；為雷諾應(yīng)力。雷諾應(yīng)力項(xiàng)屬于未知量，為使方程組封閉，須對(duì)應(yīng)力項(xiàng)作某種假設(shè)，建立應(yīng)力表達(dá)式或引進(jìn)新的湍流模型，以此把應(yīng)力項(xiàng)中的脈動(dòng)值與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)；

控制方程為不可壓縮流體的連續(xù)性方程和 RANS方程，其張量形式為：

湍流模型的選取主要依靠以下幾點(diǎn)：流體是否可壓；建立特殊可行的問題；精度要求；計(jì)算機(jī)能力；時(shí)間限制。沒有一個(gè)湍流模型對(duì)于所有問題是通用的，本文采取 SST k-w 湍流模型對(duì)導(dǎo)管槳敞水性能進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2　網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

2.1實(shí)尺度模型的建立及網(wǎng)格劃分設(shè)定

計(jì)算選用右旋螺旋槳和 19 A 導(dǎo)管，尺寸如表1所示。

表1　螺旋槳基本參數(shù)（右旋）Tab.1　The basic parameters of propeller（right hand）

將螺旋槳及導(dǎo)管的型值表錄入 Excel 表中生成三維坐標(biāo)再導(dǎo)入到 UG 三維建模軟件生成三維幾何模型如圖1～圖3 所示，文中模型均為實(shí)尺度模型。計(jì)算域來(lái)流方向距離槳盤面 3 倍螺旋槳直徑，出流方向距離槳盤面 5 倍螺旋槳直徑，計(jì)算域直徑為 5 倍槳直徑的圓筒。

圖1　槳葉幾何模型Fig.1　The model of the blade

圖2　導(dǎo)管幾何模型Fig.2　The model of the ducted

圖3　計(jì)算外域幾何模型Fig.3　The model of Out-domain

網(wǎng)格的劃分是在 ICEM CFD 軟件中進(jìn)行。計(jì)算域分為內(nèi)外兩個(gè)域，內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算域與外部流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格分開劃分。內(nèi)域由于槳葉形狀比較復(fù)雜不利于網(wǎng)格劃分因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)填充，網(wǎng)格數(shù)為 960萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 306 萬(wàn)，如圖4 所示。外域因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單規(guī)整因此使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)與節(jié)點(diǎn)數(shù)大約為 310 萬(wàn)，如圖5 所示。

2.2邊界條件的設(shè)定

導(dǎo)管槳敞水性能計(jì)算中，來(lái)流方向邊界設(shè)定為速度入口，速度給定不變；出口邊界定義為壓力出口邊界；圓筒表面設(shè)為無(wú)滑移壁面；并將粗糙度設(shè)為 30 μm；旋轉(zhuǎn)水域繞軸以 316 r/min 的角速度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變進(jìn)流速度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)速系數(shù)；使用有限體積法離散控制方程和湍流模式，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用高階求解模式；收斂判據(jù)殘差設(shè)為 1E-06。

圖4　內(nèi)部計(jì)算域網(wǎng)格劃分Fig.4　The meshing of Internal domain

圖5　外部計(jì)算域網(wǎng)格劃分及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5　External meshing calculation domain and topology

3　敞水模擬計(jì)算結(jié)果分析

進(jìn)速系數(shù)分別取 0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，螺旋槳轉(zhuǎn)速固定為 316 r/min。通過(guò) CFX 模擬計(jì)算，得出不同進(jìn)速系數(shù)下的螺旋槳推力 KT、導(dǎo)管推力與螺旋槳力矩 KQ，根據(jù)相應(yīng)公式可計(jì)算出相應(yīng)值。

在2016年7月，Action Tesa公司與Siempelkamp公司簽訂了一條加壓成型生產(chǎn)線的訂單，訂單包括一臺(tái)8 ft×A級(jí)27.1 m的ContiRoll 8代連續(xù)壓機(jī)及精選機(jī)、冷卻及堆垛系統(tǒng)，以及一個(gè)大容量倉(cāng)庫(kù)。

進(jìn)速系數(shù)：

推力系數(shù)：

力矩系數(shù)：

螺旋槳效率：

式中：T 為推力；Q 為力矩；ρ 為水的密度；n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D 為螺旋槳直徑。

根據(jù)各個(gè)進(jìn)速系數(shù)的計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值，得出如表2所示的誤差分析結(jié)果。計(jì)算值與試驗(yàn)值的擬合比較如圖6 所示。圖中KT，10 KQ和 ETA 分別為推力系數(shù)、力矩系數(shù)和效率值的計(jì)算值；KT2，10 KQ2和 ETA2分別為推力系數(shù)、力矩系數(shù)和效率值的參考值。

圖6　敞水性能計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比Fig.6　Comparison between calculations and test results of openwater performance

由圖6可知，推力系數(shù) KT、力矩系數(shù) KQ及敞水效率 ηo的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，從整體來(lái)看模擬計(jì)算效果較好。分析誤差產(chǎn)生的原因，主要是計(jì)算模擬模型與實(shí)物存在一定的誤差，在模擬狀態(tài)中都是屬于理想狀態(tài)，這在實(shí)際的工程試驗(yàn)中是不可能達(dá)到的；另一方面，在進(jìn)速系數(shù)比較大時(shí)，其推力系數(shù)、力矩系數(shù)的絕對(duì)值都比較小，在絕對(duì)誤差不大的情況下相對(duì)誤差也可能較大。對(duì)于內(nèi)域的網(wǎng)格劃分都使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，雖然生成網(wǎng)格比較方便，但網(wǎng)格質(zhì)量沒有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格好，而網(wǎng)格質(zhì)量的好壞很大程度上決定了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表2　結(jié)果比較Tab.2　Comparison results

圖7　導(dǎo)管推力系數(shù)（KTD）計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比Fig.7　Comparison between calculations and test results of KTD

對(duì)于系泊工況即進(jìn)速系數(shù) J=0 時(shí)，因?yàn)槠浣唤缑媾c邊界條件設(shè)置與其他工況不同，所以應(yīng)特殊考慮。圖8為系泊工況流線圖。

圖8　系泊工況流線圖Fig.8　The stream lines of the mooring conditions

該槳后方的流線出現(xiàn)異常情況，初步猜想是因?yàn)槌隹谶吔缗c槳葉間的距離太近的原因，因此接下來(lái)對(duì)其外部計(jì)算域擴(kuò)大。將四周邊界設(shè)為開放邊界opening，另一方面將外域擴(kuò)大，前后端都為 10 倍的槳盤直徑，徑向?yàn)?2 倍槳盤直徑，且四周邊界都設(shè)為opening。改進(jìn)幾何如圖9所示。

圖9　系泊工況外域幾何Fig.9　The out-domain of mooring conditions

外域擴(kuò)大后其網(wǎng)格數(shù)達(dá)到 620 萬(wàn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為 610萬(wàn)。計(jì)算流線結(jié)果如圖10 所示。

圖10　系泊工況改進(jìn)后流線圖Fig.10　The stream lines of the mooring conditions after improvement

從流線圖及結(jié)果對(duì)比可看出，將計(jì)算域擴(kuò)大后，流線更符合實(shí)際流動(dòng)，也沒有從槳葉后方的來(lái)流進(jìn)入導(dǎo)管區(qū)域。對(duì)照表 3和表 4可看出，推力系數(shù)計(jì)算結(jié)果也更加精確，誤差變小。因此按上面方式擴(kuò)大計(jì)算域能更加準(zhǔn)確地刻畫系泊工況下導(dǎo)管槳的工作情況。

表3　系泊工況改進(jìn)前結(jié)果比較Tab.3　Results compared before the improvement of mooring conditions

表4　系泊工況改進(jìn)后結(jié)果比較Tab.4　Results compared after the improvement of mooring conditions

4　結(jié)　語(yǔ)

本文采用數(shù)值模擬方法研究實(shí)尺度導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能，對(duì)某右旋螺旋槳和 19 A 導(dǎo)管槳組成的導(dǎo)管螺旋槳進(jìn)行了敞水計(jì)算，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的可靠性和準(zhǔn)確性，并對(duì)系泊工況進(jìn)行一定探索。得到以下結(jié)論：

1）利用本文中的實(shí)尺度模型網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置，進(jìn)速系數(shù)在 0.6 以內(nèi)時(shí)，推力系數(shù)誤差絕對(duì)值在 8% 以內(nèi)，力矩系數(shù)誤差絕對(duì)值在 2.5% 以內(nèi)，效率誤差絕對(duì)值在 6% 以內(nèi)。考慮到該導(dǎo)管槳最高效率工作點(diǎn)在 0.4～0.5 之間，因此該方法可以比較準(zhǔn)確的刻畫出該類導(dǎo)管螺旋槳的敞水性能曲線。

2）不同航速下，導(dǎo)管作用并不相同。在低速工況下，導(dǎo)管可以產(chǎn)生較大的推力，但在高速工況下產(chǎn)生的則是阻力。

3）針對(duì)特殊的系泊工況，通過(guò)對(duì)邊界條件設(shè)置的改進(jìn)，使得計(jì)算模擬結(jié)果更加的可靠，流線也更加符合物理規(guī)律。

4）導(dǎo)管推力系數(shù)在有些進(jìn)速點(diǎn)誤差較大。

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Research on open-water performance of ducted propeller by numerical calculation

WU Xiang-rong，WANG Yong-sheng，JIANG Chao
（College of Marine Power Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

In order to predict the open-water performance of ducted propeller quickly the CFD software was used to simulate the open-water experiment of ducted propeller.According to the results of calculation，the open-water performance curves were drawn and compared with the results of experiment.The open-water performance according to the results was analyzedand it's feasibility and accuracy were verified.The parameters of propeller in open-water is analyzed which including thrusttorque and open-water efficiency.The thrust of the duct decreased with the increase of the propeller's velocity.And the performance index of the ducted propelled were researched when it worked at mooring conditions，and the method for setting the boundary condition at mooring conditions were studied.

CFD；ducted propelled；steady calculation；performance analysis；mooring conditions

U664.33

A

1672-7619（2016）06-0042-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.06.008

2015-08-13；

2015-09-14

吳湘榮（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇巴七M(jìn)器技術(shù)。