基于CFD的斜流對螺旋槳性能影響探究

袁 帥，姬朋輝，劉成龍，姜 輝

(濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

對于拖船、拖網漁船等需要提供大拖力的船型，為滿足拖力的需求，螺旋槳設計追求大直徑，但受限于尾部框架，此類船舶傳動軸系通常布置成傾斜形式，這就導致了螺旋槳處在斜流工作條件下。對于高速艇，因其總布置的要求，主機軸線往往向下傾斜，加上航行時艇體發(fā)生縱傾，導致此類船舶螺旋槳也處在斜流工作條件下。有研究表明，處于斜流工作中的螺旋槳其推力特性曲線、轉矩特性曲線均發(fā)生不同程度的右移，導致斜流中螺旋槳敞水效率下降。若斜流角δ>6°，螺旋槳設計與計算就應當考慮斜流影響，當δ=8°～12°時,若仍按軸流工作中的槳來計算螺旋槳特性，其結果常常是不可靠的甚至是錯誤的[1]。另外，斜流工作中的螺旋槳還會發(fā)生沿著螺旋槳轉動軸法線方向作用的橫向力和在槳葉內作用的、其方向與盤面垂直的附加力矩矢量，其對船舶的操縱性及軸強度的設計都有影響[2]。因此斜流對螺旋槳性能的影響一直受到螺旋槳設計者的極大關注。鑒于模型試驗存在尺度效應、試驗周期長、經費高等眾多的問題。本文使用先進的商用CFD軟件STAR-CCM+對某螺旋槳推進性能進行模擬，并對不同斜流下結果進行分析總結，為在斜流工況下的螺旋槳設計提供參考。

1 研究對象及工況

本文研究對象為國際拖曳水池會議(ITTC)公開的標準螺旋槳 DTRC P4381，尺寸如表1所示，對此槳進行敞水性能的計算和分析，三維模型采用CAD軟件CATIA創(chuàng)建。

表1 DTRC P4381 槳的主要參數

為了貼合螺旋槳實際工況，本文計算的斜流角δ為：0°、2°、4°、5°、6°、8°、10°，共7個工況。計算中保持螺旋槳轉速為600 r/min不變，通過改變水流速度來改變進速系數，每個工況下設定進速系數J為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0共8個進速條件，共計56個計算工況點。

2 數值模擬方案

2.1 計算域設置及網格劃分

在進行螺旋槳敞水性計算時，需要合理地設置計算域尺寸及邊界條件。本文計算采用旋轉參考系法(MRF)來模擬螺旋槳的旋轉，整個計算域分為1個靜止域和1個旋轉域。靜止域為圓柱體，其直徑為5.0D(D為螺旋槳的直徑)，入口距離原點3.0D，出口距離原點7.0D；旋轉域同樣為圓柱體，直徑1.2D，前后端面距離槳盤面0.5D左右[3]，如圖1所示。計算域采用切割體網格進行離散，由于旋轉區(qū)域流場變化劇烈，需要適當減小網格尺寸，本次網格尺寸為0.012D，外部流體區(qū)域網格尺寸適當增加。槳葉表面網格尺寸為0.012D，并采用特征線加密方式對槳葉進行加密。加密區(qū)為與螺旋槳同軸的圓柱形區(qū)域。網格劃分后，旋轉域網格數量為151萬個，靜止域網格數量為54萬個。

計算域入口設置為速度入口，速度值設為螺旋槳進速速度，出口設置為壓力出口，螺旋槳表面設置為壁面，靜止域的圓柱形表面設置為對稱面，以減小壁面反射，旋轉域的圓柱形壁面與靜止域中的壁面設置為交界面以滿足能量與質量的交換。

圖1 流體計算域

2.2 數值計算方案驗證

為了探究本文提出的數值計算方案的有效性和計算精度問題，計算常規(guī)螺旋槳P4381在進速系數J=0.3～1.0時的水動力性能，取數值計算結果中一個旋轉周期內推力系數(Kt)與轉矩系數(Kq)的平均值為數值計算值，η0為敞水數率。圖2給出了敞水性能的試驗值與計算值，可以看出CFD計算值與試驗值吻合良好,變化趨勢保持一致。計算的平均誤差在5.6%左右，滿足工程計算精度。因此，本文提出的數值模擬方案是有效可行的。

圖2 P4381試驗值與CFD計算值比較

3 計算結果比較與分析

為了詳細研究斜流角度對螺旋槳水動力特性的影響，本文對56個計算工況點螺旋槳的敞水性能進行了比較分析。

3.1 推力系數、轉矩系數計算結果

通過以上56個工況點的CFD計算及結果的匯總比較，本文考察不同斜流角度對螺旋槳推力系數、轉矩系數以及敞水效率的影響。推力系數Kt、轉矩系數Kq隨斜流角的變化見圖3、圖4。斜流角為0°與5°、0°與10°時螺旋槳敞水性能比較見表2、表3。

通過CFD結果可以看到，斜流角的增大對螺旋槳敞水性能的影響明顯；即使在同一斜流角下，在進速系數J不同的情況下，螺旋槳的水動力性能變化也不同。通過圖3可以看到，斜流角在5°以內時，螺旋槳的推力變化很小，僅在斜流角為5°、進速系數為1.0時，推力系數Kt的減幅為5.3%，其余均在2%以內，因此對于斜流角在5°內，可以忽略斜流對螺旋槳性能的影響。在斜流角大于5°時，斜流對螺旋槳性能的影響開始凸顯，當斜流角達到10°時，Kt最大降幅高達25.8%，降幅均值為10%左右，因此在螺旋槳設計與航速預報中非常有必要去考慮螺旋槳敞水性能的下降。

對于轉矩系數Kq，其變化趨勢與Kt非常相似，斜流角在5°以內時，Kq的改變量并不明顯，幾乎均在4%以內，隨著斜流角的增大，Kq的變化幅度逐漸增大，當斜流角增加到10°時，Kq的最大增幅為16%，增幅均值為10%左右。因敞水效率η0是由Kt、Kq決定的，因此斜流角對η0的影響會更加明顯。當斜流角為5°，敞水效率最大降幅在8.5%，降幅均值為4%左右，當斜流角為10°時，斜流對螺旋槳水動力性能的影響急劇上升，η0最大降幅高達36%，降幅均值也達到了16.5%。因此如果仍使用軸流下的螺旋槳水動力性能進行船機槳匹配計算，匹配出的結果非常不可靠甚至是錯誤的，這樣會導致船舶無法達到設計工況，給用戶造成經濟損失。

圖3 推力系數隨斜流角的變化

圖4 轉矩系數隨斜流角的變化

進速系數JKt變化幅度/%10Kq變化幅度/%η0變化幅度/%0.30.451-1.70.8150.20.264-1.90.40.410-1.20.7591.30.344-2.50.50.367-1.10.6982.20.418-3.20.60.322-0.90.6352.80.485-3.20.70.276-0.70.5683.60.542-3.60.80.229-0.40.4974.20.586-4.40.90.179-1.10.4204.20.609-5.31.00.125-5.30.3353.40.591-8.5

表3 斜流角為0°、10°螺旋槳敞水性能比較

3.2 橫向力、橫向力矩計算結果

螺旋槳工作在斜流中，除發(fā)生沿著螺旋槳轉動軸線方向的推力，還會產生沿著螺旋槳轉動軸線法線方向作用的橫向力以及在槳葉內作用、其方向與盤面垂直的附加力矩矢量，從而對船舶的操縱性及船舶軸系強度產生影響。為此，本文分析了斜流對螺旋槳橫向力、橫向力矩的影響。

當螺旋槳處在軸流工作中時，螺旋槳左右壓力分布相同，左右受力相互抵消，不會產生橫向力及力矩，當螺旋槳處在斜流工作中時，螺旋槳左右受力均衡被打破，從而產生橫向力。由圖5、圖6可以看出，螺旋槳產生的橫向力、力矩均隨著斜流角的增大逐漸變大。這里需要注意的是，在同一斜流角下，橫向力系數KFy、力矩系數KMy隨著進速系數J的增大逐漸變大，這與Kt、Kq的變化規(guī)律是相反的。基于這2方面的影響，在大斜流角、高進速條件下，橫向力及力矩會增大到和螺旋槳的主要推力及力矩相當的大小，例如在斜流角10°、進速系數J=1.0時，螺旋槳軸向推力及轉矩系數為Kt=0.098、Kq=0.037 6，而橫向力及力矩系數則為KFy=0.128、KMy=0.052，超出軸向推力及轉矩30%以上，此時軸承受的橫向力會非常大，因此在計算船舶快速性、操縱性以及軸設計時必須考慮此因素。

4 技術要點

本文采用商用CFD軟件對不同斜流角下螺旋槳的敞水性能進行了模擬計算，并對計算結果進行比較和分析后得出結論如下。

1)本文提出的數值計算方案其計算值與試驗值平均誤差在5.6%，最大誤差在10%左右，滿足工程精度的需要，數值計算方案是有效的。

圖5 橫向力系數KFy隨斜流角度的變化

圖6 橫向力矩系數KMy隨斜流角的變化

2)隨著來流斜流角的增大，螺旋槳的推力系數Kt，敞水效率η0發(fā)生不同程度的下降，轉矩系數Kq逐步增大。

3)當斜流角在5°以內時，斜流對螺旋槳敞水性能影響尚不明顯，在螺旋槳設計及匹配計算中可以忽略這種影響，當來流斜流角在5°以上，螺旋槳敞水性能變化比較明顯，在螺旋槳設計及船舶航速預報中要特別考慮。

4)當螺旋槳在斜流條件下工作時，在大斜流角、高進速條件下，螺旋槳會產生較大的橫向力及力矩，對軸系強度及船舶操縱性產生不利影響，在船舶軸系設計中需要特別考慮。