基于CFD方法對擺線推進器水動力性能的數(shù)值預(yù)報

劉浩然， 楊玉良， 閆永思

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

基于CFD方法對擺線推進器水動力性能的數(shù)值預(yù)報

劉浩然， 楊玉良， 閆永思

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

通過運用CATIA建模軟件、ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件及FLUENT求解器分別對擺線推進器進行幾何模型的建立、網(wǎng)格劃分及數(shù)值計算，進而選用合適的湍流求解方法及滑移網(wǎng)格方法得到與試驗值相近的數(shù)值模擬結(jié)果，從而驗證該方法的可靠性。

CFD；擺線推進器；滑移網(wǎng)格；湍流模型

1 CFD技術(shù)模擬擺線推進器可靠性驗證

由于目前關(guān)于擺線推進器的試驗參考資料較少，理論方法以朱典明[1]的《擺線推進器理論計算方法》為基礎(chǔ)，該文中的試驗值及理論計算值作為驗證本文關(guān)于計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamic, CFD)技術(shù)模擬求解擺線推進器水動力性能結(jié)果的依據(jù)，為保證結(jié)果的準確性，擺線推進器各尺寸以該文中的幾何模型參數(shù)為參考[2]。

2 擺線推進器模型參數(shù)及幾何模型的建立

CATIA軟件是法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/CAM一體化軟件，最初源于航空領(lǐng)域，但其功能覆蓋了曲面、實體、零件加工、機構(gòu)分析和動畫制作等各個方面。通過CATIA軟件設(shè)計出的產(chǎn)品，在質(zhì)量上得到驗證之后，該軟件逐漸過渡到其他一些領(lǐng)域，如船舶領(lǐng)域[3]等。目前，在船舶制造領(lǐng)域，已經(jīng)開始使用該軟件。主要應(yīng)用于一些流體計算模型，由于CATIA軟件在曲面設(shè)計方面有較大優(yōu)勢，因此在對船體的型線進行三維建模時，可以提高船舶設(shè)計過程的效率和最終模型的質(zhì)量。本文所涉及槳與船體的幾何模型均由CATIA軟件建立。

為合理驗證該計算方法的可靠性，選用與試驗中幾何模型相似參數(shù)翼型NACA 3412，tm(葉厚最大值) 相對厚度位于30.9%翼弦處，Sm(最大彎度)相對彎度位于40.2%翼弦處，如圖1所示。同理，為與試驗提供的幾何參數(shù)相近，葉片選用矩形輪廓，即在縱向上保持截面不變。葉片的旋轉(zhuǎn)中心在弦長的40%處[4]。表1和表2分別為試驗參數(shù)模型尺寸與本文計算模型尺寸。由于葉片附近的流場信息比較關(guān)鍵，因此葉片的計算域劃分盡量小一些，并且網(wǎng)格密度相對大一些。

圖1 NACA 3412翼型

表1 擺線推進器模型主要參數(shù)

表2 擺線推進器計算幾何模型參數(shù)

根據(jù)設(shè)定好的尺寸，用CATIA軟件對其進行建模，如圖2所示。

圖2 擺線推進器幾何模型

3 各計算域網(wǎng)格劃分

選用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)幾何模型的特點及推進器葉片的運動情況可知，各葉片附近網(wǎng)格應(yīng)保持相同，為減少人為因素對其求得結(jié)果的影響，在對單獨槳葉劃分完成后，以此為基礎(chǔ)進行旋轉(zhuǎn)并復(fù)制，完成其余葉片計算域的劃分?？紤]到葉片計算域幾何模型相對規(guī)則，選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分，可提高計算效率且節(jié)省計算資源。首先，創(chuàng)建一個單獨三維塊將整個葉片包含在內(nèi)，然后對塊進行近似貼體網(wǎng)格的切分，對于葉片各塊中節(jié)點的分布，以葉根處與葉梢處為對應(yīng)關(guān)系，可以有效預(yù)防或減少畸形網(wǎng)格數(shù)量。由于在翼型的尾端通常會有一個尖角，通過修補功能將其變?yōu)橐粋€曲率連續(xù)的圓弧，在選定塊中進行單獨的切分，以滿足網(wǎng)格質(zhì)量的要求。又由于翼型為圓弧狀，因此對其進行外O型切分，通過塊的坍塌合并掉不必要的映射塊，從而減少不必要的網(wǎng)格數(shù)量，這樣可防止出現(xiàn)趨于0°角與180°角的情況，從而合理地將各網(wǎng)格單元角度控制在較優(yōu)質(zhì)量上。葉片網(wǎng)格附近區(qū)域的第1層網(wǎng)格厚度根據(jù)Y+值進行設(shè)定，最終確定邊界層數(shù)為5層，第1層為0.1 mm，縮放因子設(shè)為1.1向外延伸，在邊界層之后的網(wǎng)格縮放因子設(shè)置為1.2，以保證網(wǎng)格的平滑過渡。最終生成的網(wǎng)格數(shù)為7.2×104，如圖3所示。

圖3 葉片網(wǎng)格劃分

推進器計算域網(wǎng)格主要以非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格形式進行劃分，因為在其內(nèi)部有6個葉片計算域所產(chǎn)生的空心圓柱部分，所以在類似這種幾何模型不規(guī)則的情況下，選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格比較合適。根據(jù)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法，先進行全局網(wǎng)格尺寸設(shè)置，scale factor設(shè)定為2，而max element設(shè)定為8，此處應(yīng)設(shè)為2的整數(shù)次冪，因為后臺運行計算是以2的整數(shù)次冪進行計算的，否則在網(wǎng)格生成時，會將非2的整數(shù)次冪的數(shù)圓整到最接近2的冪，從而影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。在全局設(shè)置后，通過Part網(wǎng)格設(shè)置，對與葉片計算域相交的interface面處進行網(wǎng)格加密，以保證網(wǎng)格之間在進行數(shù)據(jù)交換時正常運行。最終推進器非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格單元數(shù)為30.3×104，如圖4所示。

圖4 推進器計算域非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

推進器計算域外流場以結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對中間的推進器所產(chǎn)生的空心大圓柱應(yīng)用外O型切分，并且將幾何模型中的圓形輪廓投影到整個計算域的底部，以便更好地完成網(wǎng)格各節(jié)點的映射，進而避免由于單元節(jié)點的分布不均而產(chǎn)生扭曲網(wǎng)格的問題。網(wǎng)格數(shù)為35.6×104，如圖5所示。

圖5 推進器內(nèi)外流場計算域網(wǎng)格劃分

4 邊界條件及湍流方法的設(shè)定

擺線推進器的數(shù)值模擬，其邊界條件設(shè)置為4個部分，分別為流體的速度入口，壓力自由流出，交接面和壁面。由于本文不考慮空泡，速度入口即為來流速度，壓力均設(shè)置為0，壁面為不可穿透且光滑，遠流場為自由流出，即流體自由穿過，如圖6所示。

圖6 邊界條件設(shè)置

根據(jù)上文對各湍流方法的敘述，湍流求解方法選用RNGk-ε模型并使用增強壁面函數(shù)，壓力與速度的耦合方式選用半隱式方法，即SIMPLE算法。壓力插值方式為PRESTO!。動量、湍動比和湍黏比等數(shù)值離散方式采用二階迎風(fēng)格式。

5 模擬結(jié)果及可靠性驗證

為使得模擬結(jié)果具有可靠性，計算偏心率e分別為0.4，0.6和0.8時，在不同進速系數(shù)下擺線推進器的水動力性能。經(jīng)過一系列的模型建立、網(wǎng)格劃分和選用FLUENT求解器進行計算，最終將求得的數(shù)值結(jié)果與NSRDC試驗值進行比較，從而驗證該方法的可靠性。分別將計算得到的水動力各項系數(shù)在不同速度時的變化情況進行整理分析。

在偏心率e分別為0.4，0.6和0.8時，隨著進速系數(shù)J的變化得到擺線推進器推力系數(shù)KT變化情況如圖7所示。推力系數(shù)公式為

式中：KT為推力系數(shù)；T為推力；ρ為水的密度；n為擺線推進器轉(zhuǎn)速；D為推進器直徑；b為葉長。

圖7 主推進力系數(shù)KT變化曲線

由圖7可知，在同一偏心率下，推力系數(shù)KT隨著進速系數(shù)J的增大不斷減小，當進速系數(shù)J增加到一定值后，會導(dǎo)致推力系數(shù)KT減為零。隨著偏心率e的變大，其推力系數(shù)KT也隨之增加且增幅較大，因此在變化偏心率時會使得槳對船舶的推力產(chǎn)生較大的變化。由此可知，在船上使用可調(diào)偏心率的擺線推進器時，只要適當改變偏心點位置即可以達到對推力方向及大小的控制，從而突顯出其良好的操縱性能。

將模擬結(jié)果與試驗值比較后可得，該方法所得數(shù)值均偏大，這是由于葉片在截面上與試驗中槳的截面不同所導(dǎo)致，因此結(jié)果會略有增加。在偏心率e為0.4時，出現(xiàn)最大誤差為8.8%，但整體模擬效果較好。

在偏心率e分別為0.4，0.6和0.8時，隨著進速系數(shù)J的變化得到擺線推進器轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ變化情況如圖8所示。轉(zhuǎn)矩系數(shù)公式為

式中：KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Q為轉(zhuǎn)矩；ρ為水的密度；n為擺線推進器轉(zhuǎn)速；D為推進器直徑；b為葉長。

圖8 轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ變化曲線

由圖8可知：在不同偏心率e時，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ隨著進速系數(shù)J的增大而減??；相同進速系數(shù)時，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ隨著偏心率e增大而增大。其變化趨勢同推力系數(shù)KT類似。

在偏心率e分別為0.4，0.6和0.8時，隨著進速系數(shù)J的變化得到推進器效率η變化情況如圖9所示。推進器效率公式為

式中：η為推進器效率；π為圓圍率。

圖9 推進器效率變化曲線

從圖9可知，推進器的效率先隨進速系數(shù)增大到一定峰值后再減小，峰值的變化隨偏心率及速度系數(shù)的增大而增大。當進速系數(shù)J較小時，偏心率e較小的效率增長率越大，但是其峰值隨偏心率e的增加而變大，當偏心率e增加到一定值時其效率的增長幅度變緩。

擺線推進器在偏心率e為0.6時，各葉片瞬態(tài)推力變化曲線如圖10所示。在工作一定時間后，擺線推進器的運動達到穩(wěn)定狀態(tài)并呈周期運動，因為各葉片之間初始相位差的存在，所以各個瞬態(tài)變化曲線僅相差一個相位，又由于6個槳葉均勻布置則相位角為60°。由于該推進器的運動規(guī)律，可知其推力變化與其葉片自身旋轉(zhuǎn)有很大關(guān)系，在運動時由于各葉片攻角的變化，從而使得推力產(chǎn)生波動。

圖10 e=0.6時各葉片瞬態(tài)推力變化曲線

擺線推進器在偏心率e為0.6時，各葉片瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩變化曲線如圖11所示，其變化趨勢與推力瞬態(tài)變化相似，相位差為60°。

圖11 e=0.6時各葉片轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化曲線

葉片推力及轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)變化曲線隨進速系數(shù)的變化關(guān)系如圖12所示。當且僅當進速不同時，各葉片運動穩(wěn)定后其波動的趨勢大致相同，但其幅值均有變化。當進速較大時，由于水流對槳的影響較大，因此產(chǎn)生的推力及轉(zhuǎn)矩相對較小，但變化趨勢依然相似。從圖12可知，最大峰值相對于最小波谷變化更為劇烈，這也是當船舶快速行駛時引起船舶振動的原因之一，因此減小波動幅度對槳減小振動十分有利。

圖12 葉片瞬態(tài)時隨進速系數(shù)J的變化情況

通過與試驗值的比較可知，各水動力性能系數(shù)變化趨勢正確，并且誤差在可接受范圍內(nèi)，因此應(yīng)用此方法具有可靠性。

6 結(jié)論

本文驗證了用CFD技術(shù)和滑移網(wǎng)格方法對擺線推進器計算的準確度，通過比較擺線推進器的水動力性能，其模擬結(jié)果表明，所選用的方法合理并可靠，為今后關(guān)于擺線推進器水動力性能的研究奠定基礎(chǔ)。

[1] 朱典明.擺線推進器的理論計算方法[J].哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報,1982(1):24.

[2] 張洪雨.擺線推進器水動力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，1999.

[3] 周志勇.CFD在船型優(yōu)化中的應(yīng)用[J].船舶設(shè)計通訊,2005(2).

[4] 張洪雨,邢國英.擺線推進器任意方向角的水動力計算方法研究[J].水動力學(xué)研究與進展，2005,20(4): 472-478.

NumericalPredictionofHydrodynamicPerformanceofCycloidalPropellersBasedonCFDMethod

LIU Haoran， YANG Yuliang， YAN Yongsi

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

By CATIA modeling software, ICEM CFD software and FLUENT slover, the geometric model of the cycloidal propeller is established, and the meshing and numerical calculation are completed respectively. The appropriate turbulence solving and sliding mesh methods are used to obtain the simulation results which are similar to the test results, and the reliability of the method is verified.

CFD; cycloidal propeller; sliding mesh; turbulence model

劉浩然(1984-)，男，工程師，研究領(lǐng)域為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物制造技術(shù)

1000-3878(2017)05-0022-07

U661

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