基于RANS法螺旋槳轂帽鰭水動力性能數(shù)值研究

胡俊明，李鐵驪，林 焰，郭 燈

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

基于RANS法螺旋槳轂帽鰭水動力性能數(shù)值研究

胡俊明，李鐵驪，林 焰，郭 燈

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

分析研究螺旋槳轂帽鰭水動力性能，應(yīng)用RANS法處理數(shù)值粘性流場，數(shù)值過程采用FORTRAN語言處理螺旋槳轂帽鰭型值點數(shù)據(jù)格式以導(dǎo)入GAMBIT前處理軟件進(jìn)行建模。對DTMB4119槳數(shù)值計算驗證和加鰭后其安裝角對槳效率變化的影響，研究其尾流、壓力分布等狀況，結(jié)果表明，合理的安裝角明顯提高其推進(jìn)效率，轂帽鰭對流經(jīng)螺旋槳的流體有一定的阻滯作用，且具有降低尾流速度以減小轂渦形成和增加推力，同時產(chǎn)生轉(zhuǎn)向相同轉(zhuǎn)矩以提高推進(jìn)性能，具有工程實用性。

RANS法；螺旋槳；轂帽鰭；水動力性能；數(shù)值模擬

轂帽鰭作為新型節(jié)能裝置于1987年由日本三井造船研制提出，它的特點是在螺旋槳尾部轂帽上安裝與螺旋槳形狀葉數(shù)相同、大小角度合適的鰭片，來降低尾流速度以減小轂渦的形成，并產(chǎn)生與螺旋槳相同轉(zhuǎn)矩以提高推進(jìn)性能[1-3]。

傳統(tǒng)對敞水節(jié)能性能的研究主要依賴實驗方法，其優(yōu)點是真實可靠、實用性強(qiáng)，但其經(jīng)濟(jì)性較差。隨著計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，粘性處理數(shù)值流場和預(yù)報螺旋槳敞水性能成為現(xiàn)階段研究的一種重要手段，其經(jīng)濟(jì)性好，數(shù)值計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果一致，滿足工程需求。

文中基于RANS方法數(shù)值研究4119槳水動力性能，采用FORTRAN語言處理螺旋槳轂帽鰭型值點數(shù)據(jù)格式以便于GAMBIT前處理軟件進(jìn)行接口，縮短建模時間，對4119槳進(jìn)行數(shù)值計算驗證并進(jìn)行加轂帽鰭后的水動力性能分析，研究其節(jié)能效率，為工程設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 模型參數(shù)特征

轂帽鰭作為一種節(jié)能裝置，其鰭葉形狀和剖面形式對螺旋槳節(jié)能效率有著很大的影響，以DTMB4119槳為母型槳，其鰭葉形狀特征與槳葉相同，且考慮轂帽鰭直徑一般不超過螺旋槳直徑的33%，取轂帽鰭直徑為螺旋槳直徑的30%，槳和鰭基本參數(shù)見表1[4]。

表1 DTMB 4119 槳和鰭的基本參數(shù)

2 計算方法

2.1 控制方程

應(yīng)用RANS法處理均勻來流的粘性繞流場，螺旋槳轂帽鰭以一定轉(zhuǎn)速在繞流場中旋轉(zhuǎn)，考慮流體粘性影響和不可壓縮，連續(xù)方程和雷諾平均N-S方程表達(dá)式如下。

(1)

(2)

2.2 湍流模型

RANS方程中應(yīng)力項涉及脈動值和時均值的結(jié)合，為使RANS方程封閉，應(yīng)基于某種假設(shè)建立相應(yīng)應(yīng)力表達(dá)式，使兩者聯(lián)系在一起。應(yīng)用SSTk-ω湍流模型使方程封閉可解，該模型在處理粘性底層時具有比k-ε較好的穩(wěn)定性， 其所依據(jù)的輸運方程[6]如下。

(3)

(4)

由SST理論推導(dǎo)得到湍流模型常數(shù)值為α=5/9，β=0.075，β*=0.09，σk=2.0，σω=2.0。

3 數(shù)值過程

3.1 模型建立

以槳葉的投影原理作為理論基礎(chǔ)，建立螺旋槳轂帽鰭三維模型，實現(xiàn)二維到三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。葉切面形狀根據(jù)各不同半徑Ri的同軸圓柱與槳葉相交所得到，并人為處理踩點得到所需一系列葉切面型值，根據(jù)已知的螺旋槳基本參數(shù)，實現(xiàn)全局坐標(biāo)OXYZ與局部坐標(biāo)O1X1Y1Z1的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換關(guān)系式如下所示，推導(dǎo)詳見文獻(xiàn)[7]。

(5)

(6)

Z=Y1·sinφ+Z1·cosφ+

L·sinφ-Ri·tanθ

(7)

式中：L=L1-L2，L1為導(dǎo)邊至基線長度，L2為切面最厚處至導(dǎo)邊長度，θ為縱傾角,φ為螺距角。

跟據(jù)上述公式，采用FORTRAN語言編制槳葉和鰭葉葉面、葉背各半徑處及漿轂上型值點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，以特定的數(shù)據(jù)格式*.dat輸出，便于GAMBIT前處理軟件進(jìn)行接口，縮短建模時間，其文件格式如下。

21 3

0.002301018 -0.008855932 -0.001048031

0.004507725 -0.007962595 0.000988912

……

15 1

-0.001198249 0.009071202 0.008667247

……

其中第一行表示有3條曲線，每條曲線由21個點組成，下面行中的數(shù)值表示X、Y、Z的坐標(biāo)值。導(dǎo)入GAMBIT建模時，自動每經(jīng)21個點坐標(biāo)生成一條曲線，直至完成3條曲線的命令。因其第4條曲線坐標(biāo)點數(shù)目不同，因此重新輸入坐標(biāo)點數(shù)15和曲線數(shù)1，其所建模型遵循右手直角坐標(biāo)系，Z軸為旋轉(zhuǎn)軸且負(fù)方向為來流方向，螺旋槳槳葉三維模型和螺旋槳轂帽鰭的整體模型見圖1。

圖1 螺旋槳模型

3.2 網(wǎng)格域劃分

采用分塊化網(wǎng)格，網(wǎng)格域模型見圖2。

圖2 網(wǎng)格及域劃分模型

其整體域為圓柱形，將其分割成3個靜止域和1個旋轉(zhuǎn)域，螺旋槳與轂帽鰭的整體模型位于旋轉(zhuǎn)域的中心，域和模型之間運動相對靜止，旋轉(zhuǎn)域直徑為2D，長度為3D，在鰭葉、槳葉、槳轂面上劃分非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格并對其網(wǎng)格加密，其鰭葉面網(wǎng)格尺寸為0.009D，槳葉和槳轂面網(wǎng)格尺寸為0.015D，旋轉(zhuǎn)域柱面采用結(jié)構(gòu)性的四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大小為0.045D，D為螺旋槳直徑。靜止域直徑為6D，其前域和后域長度分別為2D和5D。網(wǎng)格形式采用結(jié)構(gòu)化體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸大小為0.09D，邊界條件設(shè)置見圖2。

4 數(shù)值結(jié)果分析

4.1 螺旋槳數(shù)值驗證

基于RANS法數(shù)值模擬螺旋槳敞水性能，數(shù)值計算驗證DTMB4119螺旋漿[8]，取螺旋槳轉(zhuǎn)速為600 r/min，根據(jù)來流速度的不同得到不同進(jìn)速系數(shù)下的推力和轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而轉(zhuǎn)化得到推力系數(shù)kt、轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq和敞水效率ηo。繪制螺旋槳敞水性能曲線，見圖3。

圖3 螺旋槳敞水性能

由圖3可見，kt、kq較試驗值略大，敞水效率ηo較試驗值略小，數(shù)值結(jié)果總體吻合較好，說明此方法計算螺旋槳敞水節(jié)能性能具有可行性。

分析kt、kq、ηo誤差產(chǎn)生的原因，由曲線看出低進(jìn)速系數(shù)下kt、kq、ηo的數(shù)值結(jié)果與試驗值吻合很好，但隨進(jìn)速系數(shù)增大，數(shù)值結(jié)果誤差有略為增大的趨勢，原因是在數(shù)值過程中未使用空化模型，導(dǎo)致空泡現(xiàn)象的存在，使吸力面和壓力面存在壓力差，其值大于試驗，使kt、kq存在誤差；且隨進(jìn)速系數(shù)增大，空泡現(xiàn)象越發(fā)明顯，導(dǎo)致敞水效率ηo誤差增加。

4.2 轂帽鰭數(shù)值結(jié)果分析

轂帽鰭作為一種節(jié)能裝置，鰭葉形狀、剖面形式、安裝角度均對螺旋槳效率產(chǎn)生影響，文中鰭葉形狀特征與槳葉相同，重點剖析安裝角度的不同對螺旋槳推進(jìn)性能的影響。用鰭葉導(dǎo)邊至隨邊在槳榖處的連線與旋轉(zhuǎn)軸垂線夾角來表示安裝角度。取鰭葉安裝角度分別為9°、10°、12°、15°、20°、25°、30°、35°、40°，螺旋槳和轂帽鰭整體模型轉(zhuǎn)速為600r/min，進(jìn)速系數(shù)J=0.1～1.0。數(shù)值結(jié)果與無鰭螺旋槳比較，得到不同安裝角度下螺旋槳轂帽鰭的敞水性能曲線推力系數(shù)kt、轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq和敞水效率ηo的增量，見圖4。

圖4 敞水性能曲線增量

由圖4可見，在進(jìn)速系數(shù)0.3，鰭葉安裝角為9°、15°時其推力系數(shù)kt、敞水效率ηo增量為負(fù)值，其余安裝角下都為正值，且10°、12°安裝角下出現(xiàn)峰值，而轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq卻達(dá)到谷值。對于高進(jìn)速系數(shù)1.0，所有安裝角度下推力系數(shù)kt、敞水效率ηo增量為負(fù)值，轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq為正值，其節(jié)能效率急劇下降。在安裝角為10°、35°、40°下其效率增量普遍為正值，且40°時其大多進(jìn)速系數(shù)下節(jié)能效率較10°、35°高，其節(jié)能效果達(dá)到最佳狀態(tài)。從整體效率考慮，安裝40°轂帽鰭比較符合實際應(yīng)用，能達(dá)到較好的節(jié)能效果。

4.3 壓力場分析

根據(jù)數(shù)值結(jié)果的分析，取節(jié)能效率性能參數(shù)比較高的轂帽鰭安裝角度40°，進(jìn)速系數(shù)0.3，分析研究螺旋槳槳葉和鰭葉表面的壓力情況，由圖5可見，槳葉葉面和葉背表面壓力情況走勢相反，葉面壓力由導(dǎo)邊向隨邊逐漸減小，最大值位于導(dǎo)邊附近，且葉面壓力大于葉背壓力，使葉背處在低壓區(qū)，形成吸力面，伴隨空泡發(fā)生的可能。由圖6可見，鰭葉葉背的壓力大于葉面壓力，與槳葉恰好相反，其效用是鰭葉在壓力差作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向與螺旋槳相同的扭矩，減小螺旋槳旋轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，有利于提高螺旋槳的推進(jìn)效率[9]。

圖5 槳葉壓力云圖

圖6 鰭葉壓力云圖

4.4 尾流速度場分析

為進(jìn)一步研究轂帽鰭對節(jié)能效率的影響，研究其作用機(jī)理，取具有良好節(jié)能性能的轂帽鰭安裝角40°、進(jìn)速系數(shù)0.3情況下的尾流速度場做詳細(xì)分析，包括軸向速度、徑向速度。軸向距離取x/R=0.115 33，R為螺旋槳半徑，繪制速度等值線見圖7、8。

圖7 軸向速度等值線

圖8 徑向速度等值線

軸向流速的大小影響螺旋槳推力的大小，方向與推力相反，基于動量理論得到螺旋槳所受推力等于流經(jīng)槳葉流體的動量變化。由圖7可見，在槳轂附近，有鰭螺旋槳其軸向速度低速區(qū)明顯大于無鰭情況，說明加裝鰭葉后流經(jīng)槳葉流體的動量變化變大，推力增加，提高了推進(jìn)性能。

沿螺旋槳半徑方向的速度為徑向速度，徑向速度產(chǎn)生梢渦與榖渦。由圖8可見，加鰭后，在鰭葉附近出現(xiàn)小面積的正負(fù)速度區(qū)且面積相當(dāng)，比較無鰭情形，正負(fù)高速區(qū)域面積變小，低速區(qū)域面積變大，正負(fù)面積區(qū)域趨于相等，一定程度上減少了轂渦的產(chǎn)生，提高了節(jié)能效率。

5 結(jié)論

1)應(yīng)用FORTRAN語言處理螺旋槳轂帽鰭型值點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式，實現(xiàn)GAMBIT前處理軟件建模接口，縮短建模時間，提高數(shù)值效率。

2)數(shù)值驗證DTMB 4119槳計算結(jié)果，比較鰭葉不同安裝角對節(jié)能效率的影響，給出本槳效率增量較高的鰭葉安裝角為40o，驗證了此方法研究螺旋槳轂帽鰭的敞水節(jié)能性能的可行性。

3)基于壓力場分析，鰭葉葉背的壓力大于葉面的壓力，與槳葉相反，鰭葉在壓力差的作用下會產(chǎn)生與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同的轉(zhuǎn)矩，使螺旋槳旋轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩減小，提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

4)對軸向速度和徑向速度的研究分析表明，轂帽鰭對流經(jīng)螺旋槳的流體有一定的阻滯作用，使其流經(jīng)槳葉流體的動量變化變大，推力增加，并在一定程度上減少了轂渦的產(chǎn)生，提高了推進(jìn)性能和節(jié)能效率。

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Numerical Study on the Hydrodynamic Performance of PBCF Based on RANS Method

HU Jun-ming, LI Tie-li, LIN Yan, GUO Deng

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

The hydrodynamic performance of propeller boss cap fins is studied numerically, in which the viscous flow field is treated by RANS method, the data points of propeller boss cap fins are calculated by a FORTRAN program with specific data format in order to set up geometry in Gambit. The DTMB 4119 propeller is calculated and the results are compared with the tests. The propulsion efficiency with different fix angles of fins are studied, the changes of wakes and pressure distribution are observed. The results show that a reasonable installation angle of fins significantly improve the efficiency of the propulsion, the propeller boss cap fins has a lower wake speed to reduce the hub vortex and increase the thrust, while producing the same torque to improve propulsion performance and with engineering practicality.

RANS method; propeller; propeller boss cap fins; hydrodynamic performance; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.013

2014-07-24

國家公益性行業(yè)科研專項(201003024);國家自然科學(xué)基金(51209034)

胡俊明(1985-),男，博士生

U661.3

A

1671-7953(2015)01-0052-05

修回日期：2014-08-14

研究方向:船舶與螺旋槳水動力性能

E-mail:Junm251314@163.com