自主水下航行器回收過程中螺旋槳推力特性分析

杜曉旭， 張正棟

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安 710072)

自主水下航行器回收過程中螺旋槳推力特性分析

杜曉旭， 張正棟

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安 710072)

在自主水下航行器 (AUV) 水下回收過程中，螺旋槳的推力特性對AUV的穩(wěn)定性控制及安全性能等影響非常明顯。主要基于計算流體力學(xué)方法，采用多塊混合網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合RNGk-ε湍流模型，對AUV在不同回收工況下的螺旋槳推力特性展開數(shù)值模擬。建立AUV及螺旋槳的三維幾何模型；基于多塊混合網(wǎng)格方法對計算域進(jìn)行空間離散，同時采用動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)螺旋槳與回收管的相對運(yùn)動及自身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用有限體積法展開數(shù)值計算?；谟嬎銛?shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比及數(shù)值無關(guān)性測試，表明所使用的多塊混合網(wǎng)格方法能夠?qū)UV回收過程螺旋槳推力特性進(jìn)行準(zhǔn)確計算，為AUV水下回收過程的控制及安全性能評估能夠提供理論參考。

流體力學(xué)； 螺旋槳； 自主水下航行器； 多塊混合網(wǎng)格； 推力特性

0 引言

自主水下航行器(AUV)作為水下自主航行的移動節(jié)點，目前在海洋各個領(lǐng)域中的用途愈加廣泛。目前研究者們致力于AUV的水下自主回收研究，通常使用內(nèi)徑略大于AUV外徑的管狀回收裝置實現(xiàn)AUV的回收[1]。AUV在回收過程中螺旋槳與回收裝置之間的間隙隨著AUV位置的不同而不同，從而導(dǎo)致該間隙流場變化十分劇烈，通常稱這種復(fù)雜流場為極限流場。隨著AUV向回收裝置運(yùn)動，螺旋槳由無界流場向極限流場運(yùn)動，其推力特性受該流場的影響十分明顯，推力特性的改變給AUV回收過程的穩(wěn)定性控制帶來了挑戰(zhàn)，因此對該運(yùn)動過程的螺旋槳推力特性研究十分有意義。

近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的推廣普及和計算方法的新發(fā)展，計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)取得了蓬勃的發(fā)展，通過對雷諾平均N-S(RANS)方程的數(shù)值求解來獲得黏性流場全場信息已經(jīng)成為可能，因此CFD方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用到螺旋槳水動力特性研究中[2-4]。蔡榮泉等[5]基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對某五葉螺旋槳定常水動力性能進(jìn)行CFD計算，計算結(jié)果與試驗誤差較小。解學(xué)參等[6]基于RANS方程和RNGk-ε湍流模型采用結(jié)構(gòu)- 非結(jié)構(gòu)多塊混合網(wǎng)格研究了船后非均勻流場中螺旋槳的水動力性能，并將計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較，結(jié)果表明CFD計算方法精度較高，能夠滿足工程應(yīng)用要求。Guo等[7]對不同軸深的螺旋槳展開數(shù)值模擬，并與試驗結(jié)果對比，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。蘇石川等[8]基于兩種網(wǎng)格(分區(qū)混合網(wǎng)格及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格)研究某散貨船螺旋槳敞水性能，對比發(fā)現(xiàn)分區(qū)混合網(wǎng)格誤差較小?？傊?，采用CFD方法計算螺旋槳敞水水動力特性研究已相對成熟。

但是，目前采用CFD方法對螺旋槳水動力性能的研究主要集中在敞水性能方面，而AUV水下回收過程螺旋槳處于極限流域運(yùn)動，且葉梢與管壁的間隙會隨著AUV的運(yùn)動而發(fā)生變化，因此螺旋槳所處流場極其復(fù)雜，其推力性能與敞水流域的推力性能有明顯的差別。在上述過程中螺旋槳推力特性的改變對AUV的穩(wěn)定性控制及安全性能都造成很大的影響，因此急需展開AUV水下回收過程螺旋槳推力特性的研究，為AUV水下回收過程的控制及安全性能評估提供定量的參考。本文基于CFD數(shù)值模擬方法，提出采用多塊混合網(wǎng)格方法離散計算空間的計算方法，結(jié)合RNGk-ε湍流模型以及動網(wǎng)格技術(shù)利用有限體積法(FVM)研究不同回收工況下螺旋槳所產(chǎn)生的推力，分析上述過程對螺旋槳推力特性的影響，驗證所提方法計算極限流場螺旋槳推力特性的準(zhǔn)確性。

1 控制方程與湍流模型

1.1 控制方程

本文假設(shè)AUV在有界流場中航行時，周圍流體為連續(xù)介質(zhì)，為有黏不可壓縮流體。由于螺旋槳葉梢與管壁之間的間隙時刻變化，因此槳葉周圍流體視為不可壓縮流體的三維非定常運(yùn)動。因此滿足控制方程[9]為

(1)

(2)

1.2 湍流模型

本文所采用的RNGk-ε湍流模型來源于嚴(yán)格地統(tǒng)計技術(shù)，它在ε方程中加了一個條件，從而有效地提高了精度。而且RNGk-ε湍流模型充分考慮了湍流漩渦對計算的影響，從而提高了其計算復(fù)雜旋轉(zhuǎn)流場的精度。這些特點使得RNGk-ε湍流模型計算復(fù)雜流場有更高的可信度和精度。因此本文非定常湍流計算采用RNGk-ε雙方程湍流模型使RANS方程封閉[9]。

湍流脈動動能方程(k方程)為

(3)

式中：αk為湍動能的有效普朗特數(shù)的倒數(shù)；μeff=μ+μt，μt為湍動黏性系數(shù)；Gk為由于平均速度梯度引起的湍動能；Gb是由于浮力影響引起的湍動能；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對縱耗散率的影響。

湍流能量耗散率(ε方程)為

(4)

其中：

(5)

式中：Pk為湍動生成項；Rε與η為RNG湍流模型特有的控件；其他常數(shù)σε=1.39，Cε1=1.42，Cε2=1.42，Cμ=0.084 5，η0=4.38，β=0.012.

2 多塊混合網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型

本文幾何模型如圖1所示，具體尺寸如表1所示。以AUV頭部為原點建立參考坐標(biāo)系，沿AUV向前運(yùn)動軸向為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向，根據(jù)右手準(zhǔn)則確定z軸正方向，后文中的數(shù)值模擬計算均以AUV頭部距參考坐標(biāo)系原點距離為變量比較螺旋槳推力系數(shù)。

圖1 幾何模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of geometrical model

名稱尺寸AUV外徑/m02回收管長度/m3AUV長度/m185半錐角/(°)30螺旋槳直徑/m0175

2.2 流場及網(wǎng)格劃分

本文建立圓柱體流場計算域，長為29.85 m，直徑為14 m. 流場計算域及邊界條件設(shè)置如圖2所示。入口邊界條件為速度入口，出口設(shè)為壓力出口，AUV及螺旋槳各壁面均設(shè)為無滑移壁面，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。計算域介質(zhì)為水，密度ρ=1 024 kg/m3，其運(yùn)動黏性系數(shù)為ν=1.003×10-6m2/s. 本文所選螺旋槳直徑D=175 mm，定義螺旋槳推力系數(shù)為Ct=T/ρn2D4，T為螺旋槳產(chǎn)生推力，n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，本文中n取900 r/min. 通過編制用戶自定義函數(shù)(UDF)實現(xiàn)AUV及螺旋槳的自定義運(yùn)動。

圖2 流場計算域示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation domain of flow fields

本文所用FVM進(jìn)行數(shù)值求解具有良好的收斂性，能夠滿足計算需求。而采用FVM求解RANS方程實際是求解離散在計算域內(nèi)各網(wǎng)格節(jié)點的流場信息，包括壓力、速度以及湍流度等。因此合適的網(wǎng)格劃分是偏微分方程準(zhǔn)確求解的基礎(chǔ)，也是數(shù)值模擬與分析的載體。劃分合適的高質(zhì)量網(wǎng)格在CFD數(shù)值計算中起著關(guān)鍵的作用，而網(wǎng)格的形狀和精密度等對CFD計算的精度和計算效率有重要影響。目前網(wǎng)格劃分主要分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成質(zhì)量高但適應(yīng)范圍較窄，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格能夠很好地適應(yīng)不規(guī)則的幾何模型，網(wǎng)格生成快，但是質(zhì)量難以控制。針對兩種網(wǎng)格的優(yōu)缺點，分析本文的幾何模型，考慮到本文流場的復(fù)雜性，使用單一的網(wǎng)格很難達(dá)到計算要求。于是本文采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的多塊混合網(wǎng)格方法對整個計算域進(jìn)行劃分，將流場分為靜止域及運(yùn)動域兩部分，靜止域為回收管以外部分，采用三維六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，運(yùn)動域為回收管以內(nèi)部分，動靜域之間設(shè)立Interface交界面。將運(yùn)動域分為兩塊，切出一個包含螺旋槳的圓柱部分，采用三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而其余部分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

對于包含螺旋槳的圓柱部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，先用全三角形網(wǎng)格生成表面網(wǎng)格，再生成四面體網(wǎng)格填充計算域，在螺旋槳槳葉生成三棱柱邊界層以更精確地捕獲流場特性，同時對于螺旋槳槳葉部分進(jìn)行加密，流場網(wǎng)格劃分如圖3、圖4所示。

圖3 靜止域網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshes of stationary domain

圖4 運(yùn)動域網(wǎng)格劃分Fig.4 Motion domain meshes

3 數(shù)值計算結(jié)果及分析

3.1模型驗證

在CFD計算中，網(wǎng)格的尺寸以及時間步長對計算結(jié)果的影響十分明顯，為了驗證計算的可靠性，分別對網(wǎng)格無關(guān)性以及時間步長無關(guān)性進(jìn)行驗證。本文將分別計算4種不同數(shù)量的網(wǎng)格的螺旋槳推力特性曲線，通過調(diào)節(jié)螺旋槳槳葉第1層網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格節(jié)點數(shù)目及最大網(wǎng)格尺寸等參數(shù)，分別得到252萬、378萬、504萬以及756萬網(wǎng)格，其對應(yīng)的螺旋槳槳葉第1層網(wǎng)格尺度分別為0.01D、0.005D、0.001D，0.000 5D. 計算結(jié)果如圖5(a)所示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增多，螺旋槳推力系數(shù)曲線逐漸收斂，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為504萬時，其計算結(jié)果與756萬網(wǎng)格數(shù)量的計算結(jié)果幾乎沒有差別，于是認(rèn)為504萬的網(wǎng)格已達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)，同時考慮到計算成本，因此本文取504萬的網(wǎng)格作為計算網(wǎng)格。同時可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)x<1.0 m時，螺旋槳推力系數(shù)保持不變，此時AUV與回收裝置尚未接觸，可以認(rèn)為此時螺旋槳推力系數(shù)為敞水推力系數(shù)。本文所用螺旋槳根據(jù)日本MAU系列螺旋槳的圖譜所設(shè)計[10]，從文獻(xiàn)[10]可看出在同進(jìn)速系數(shù)下的螺旋槳試驗推力系數(shù)KT=0.28，而此時本文推力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果為Ct=0.300 2，相對誤差不超過10%，可以認(rèn)為數(shù)值模擬結(jié)果是準(zhǔn)確的。如圖5(b)所示為不同時間步長對螺旋槳推力系數(shù)的影響曲線，分別為0.05 s、0.01 s、0.005 s以及0.001 s. 從圖5(b)中發(fā)現(xiàn)，隨著時間步長的減小，推力系數(shù)曲線逐漸收斂。于是認(rèn)為0.005 s的時間步長滿足計算要求，后文計算中均取此時間步長。

圖5 網(wǎng)格及時間步長無關(guān)性對比結(jié)果Fig.5 Comparative results of mesh and time step size independence

3.2 AUV勻速進(jìn)入回收管時螺旋槳推力特性

本節(jié)的回收管內(nèi)徑為220 mm，分別研究AUV以不同速度進(jìn)入回收裝置時的螺旋槳推力特性。本節(jié)分別對AUV以1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s 4種不同的速度進(jìn)入回收管展開數(shù)值模擬，圖6為AUV以不同速度進(jìn)入回收管時螺旋槳推力特性曲線。

圖6 AUV以不同速度進(jìn)入回收管時螺旋槳推力系數(shù)曲線Fig.6 Propeller’s thrust coefficient curves when AUV enters the tube at different velocities

圖7 不同位置處螺旋槳壓力等值線圖Fig.7 Propeller’s pressure contours at different positions

如圖6所示，隨著AUV完全進(jìn)管，螺旋槳推力系數(shù)逐漸增大。當(dāng)x≤1.0 m時，AUV頭部尚未進(jìn)入錐頭，此時螺旋槳推力系數(shù)保持不變，這是由于螺旋槳與AUV均處于無界流域中，相對運(yùn)動穩(wěn)定；當(dāng)1.0 m

圖7為不同位置處的螺旋槳壓力等值線圖。由圖7可以看出，在螺旋槳還未進(jìn)入錐頭時，葉片的導(dǎo)邊處有較大的壓力梯度，可知流體動力載荷分布在這里，而葉片的其余壓力分布較為平緩，過渡均勻，上述葉片壓力分布符合敞水流域螺旋槳葉片壓力分布規(guī)律。隨著AUV頭部靠近錐頭，流場出現(xiàn)干擾，流入盤面速度增加，產(chǎn)生的軸向誘導(dǎo)速度也逐漸增加，葉片與管壁之間的干擾使得壓力分布變得更加不均勻，同時吸力面的最大壓力下降，但是壓力梯度明顯上升，因此導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生的推力上升。

如圖8所示為AUV勻速進(jìn)入回收管時在不同位置的切面速度云圖，陰影部分為回收裝置。當(dāng)AUV還未進(jìn)入回收管時，流場穩(wěn)定，AUV及螺旋槳處于無界流場，螺旋槳推進(jìn)特性不受回收裝置的影響。當(dāng)AUV頭部剛要進(jìn)入圓柱段時，回收裝置里的水出現(xiàn)回流，同時一部分水沿著AUV與管壁間隙加速噴出，此時由于頭部進(jìn)管引起的流體加速逐漸開始影響螺旋槳盤面入口速度，導(dǎo)致螺旋槳推力系數(shù)開始增大。隨著AUV頭部進(jìn)入回收管圓柱段，AUV與管壁的間隙流場逐漸影響到螺旋槳，螺旋槳產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度變大，吸力面與壓力面的壓力梯度增大，導(dǎo)致螺旋槳產(chǎn)生的推力系數(shù)增大，這也與圖6的螺旋槳推力系數(shù)變化趨勢是一致的。

圖8 AUV不同位置切面速度云圖Fig.8 Velocity contours at different positions of AUV

3.3 AUV勻減速進(jìn)入回收管時螺旋槳推力特性

在實際情況中，為了避免AUV與回收裝置發(fā)生碰撞，AUV回收時的速度是逐漸減小的，本節(jié)對AUV以不同初始速度勻減速進(jìn)入回收裝置展開數(shù)值模擬，初始速度分別為1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s. 當(dāng)x=4.0 m時，其速度降為0. 圖9為AUV以不同初始速度減速進(jìn)入回收管時螺旋槳推力特性變化曲線。

圖9 不同初始速度對應(yīng)的螺旋槳推力系數(shù)曲線Fig.9 Propellers thrust coefficient curves corresponding to different initial velocities of AUV

由圖9可知，螺旋槳的推力系數(shù)變化規(guī)律與AUV勻速運(yùn)動時幾乎是一致的。當(dāng)x≤1.0 m時，隨著AUV向前運(yùn)動，其運(yùn)動速度線性減小，導(dǎo)致螺旋槳進(jìn)速系數(shù)線性減小，推力系數(shù)近似呈線性增加，符合螺旋槳敞水推進(jìn)特性規(guī)律；隨著AUV進(jìn)入回收裝置，螺旋槳推力系數(shù)的增長速度變快。AUV速度越大，螺旋槳推力系數(shù)變化越明顯，v=2.5 m/s所對應(yīng)的螺旋槳推力系數(shù)，最終大于v=2.0 m/s及v=1.5 m/s所對應(yīng)的推力系數(shù)。由此可見，AUV減速運(yùn)動時，螺旋槳推力系數(shù)變化較之勻速運(yùn)動時更加明顯，極限流場對螺旋槳推力系數(shù)的影響也更加明顯。

3.4 間隙對螺旋槳推力特性的影響

本節(jié)選用單側(cè)間隙為3%、5%、7%、9%、11%的回收管模型進(jìn)行數(shù)值計算，即回收管內(nèi)徑分別為212 mm、220 mm、228 mm、236 mm、244 mm，分別計算AUV以2.0 m/s的速度進(jìn)入回收管時螺旋槳推力系數(shù)。圖10為不同單側(cè)間隙下AUV進(jìn)入回收管時螺旋槳推力系數(shù)變化曲線。

圖10 不同間隙下AUV進(jìn)入回收管螺旋槳推力系數(shù)曲線Fig.10 Propeller’s thrust coefficient curves corresponding to different clearances between AUV and tube

圖10表明，隨著AUV進(jìn)入回收管，AUV與回收管之間的間隙對螺旋槳推力特性的影響是非常明顯的，尤其當(dāng)螺旋槳進(jìn)入錐頭之后影響更為明顯。當(dāng)AUV處于回收裝置之外時，間隙對螺旋槳推力系數(shù)的影響幾乎為0，這也與實際流場是相符的。隨著間隙的增大，間隙流場之間的干擾相對減小，從而螺旋槳的葉梢流場干擾相對減弱，從而引起推力系數(shù)的減小。同時可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)間隙大于7%的時候，螺旋槳推力系數(shù)有明顯的下降趨勢。

4 結(jié)論

本文針對螺旋槳在AUV回收過程中處于極限流域這一復(fù)雜流場問題展開的數(shù)值模擬，基于螺旋槳槳葉較為復(fù)雜的幾何外形，結(jié)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以及非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點，提出了能夠有效計算AUV回收過程螺旋槳推力特性的多塊混合網(wǎng)格方法。同時結(jié)合動網(wǎng)格技術(shù)以及RNGk-ε湍流模型，形成了計算AUV回收時螺旋槳推力特性的計算方法。隨后對計算域網(wǎng)格無關(guān)性以及離散時間步長無關(guān)性進(jìn)行驗證，提高計算精度。最后對AUV以不同速度勻速進(jìn)入回收裝置、不同初始速度勻減速進(jìn)入回收裝置以及不同間隙等工況下的螺旋槳推力特性進(jìn)行計算。結(jié)果表明，這種基于多塊混合網(wǎng)格方法計算AUV回收過程螺旋槳推力特性是可行的，而且對于極限流域的螺旋槳水動力特性研究具有普適性。

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Analysis of Propeller Thrust Performance in the Process ofAutonomous Underwater Vehicle Recovery

DU Xiao-xu, ZHANG Zheng-dong

(School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072， Shaanxi， China)

The influence of propeller thrust performance on the stability control and safety performance of autonomous underwater vehicle (AUV) during the process of AUV recovery is very obvious. Based on CFD method, the multi-block meshes method combined with RNGk-εturbulent model is used for the simulation of propeller thrust performance of AUV in different recovery cases. The three-dimensional geometric models of AUV and propeller are built. The calculation domain is dispersed by multi-blocks meshes, and the dynamic mesh technique is used to simulate the motion of AUV and propeller. The numerical simulations are performed based on the finite volume method. The comparison of numerical and experimental results，as well as numerical independence test show that the proposed numerical method can be used to calculate the propeller thrust performance during the process of AUV underwater recovery accurately, and the numerical results can provide theoretical reference to the stability control and safety performance of underwater AUV recovery.

fluid mechanics; propeller; autonomous underwater vehicle; multi-blocks mesh; thrust performance

2016-10-18

國家自然科學(xué)基金項目(1130276)

張正棟(1993—)，男，碩士研究生。E-mail:18789496770@163.com

杜曉旭(1981—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:nwpudxx@163.com

U661.31+3

A

1000-1093(2017)06-1154-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.015