基于CFD法的船用螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)

伍蓉暉, 何珍 彭翔 田中文

摘? ? 要：螺旋槳敞水性能對(duì)船舶推進(jìn)性能具有重要意義。本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）數(shù)值計(jì)算方法對(duì)螺旋槳的敞水性能進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)算。通過(guò)不同邊界層模式下的計(jì)算精度比較，提出合適的預(yù)報(bào)模式，并與試驗(yàn)值對(duì)比以驗(yàn)證該模式的有效性。結(jié)果表明，該模式計(jì)算誤差在工程允許范圍內(nèi)，可用于螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)。

關(guān)鍵詞：敞水性能;CFD;邊界層;湍流

中圖分類(lèi)號(hào)：U661.34 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Open water performance of propeller is of great significance to the determination of ship propulsion performance. In this paper， computational fluid dynamics （CFD） numerical calculation method is used to calculate the open water performance prediction of propeller， by comparing the calculation accuracy of different boundary layer models， an appropriate prediction model is proposed and compared with the test values to verify the effectiveness of the model. The results show that the calculation error of the model is within the allowable engineering error range and can be used for the prediction of marine propeller hydrodynamic performance.

Key words： Open water performance; CFD; Boundary Layer; Turbulence

1? ? 引言

螺旋槳是應(yīng)用最為廣泛的船用推進(jìn)器，螺旋槳水動(dòng)力性能對(duì)于船舶推進(jìn)性能起著至關(guān)重要的作用。目前，通常采用敞水試驗(yàn)確定螺旋槳水動(dòng)力性能。隨著計(jì)算機(jī)輔助軟件的快速發(fā)展與流體動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的深入研究，基于CFD法的數(shù)值模擬被廣泛應(yīng)用于螺旋槳前期性能優(yōu)化與后期結(jié)合試驗(yàn)的螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)。

基于CFD法的螺旋槳數(shù)值模擬中，不同的計(jì)算域、網(wǎng)格劃分、邊界層設(shè)定、物理模型的選擇等直接影響螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果。本文主要采用旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系法（MRF），以VP1304螺旋槳為例對(duì)CFD法計(jì)算模式進(jìn)行說(shuō)明，并與敞水試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，以驗(yàn)證該模式下的CFD法螺旋槳數(shù)值模擬結(jié)果滿(mǎn)足精度要求，可用于螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)。

2? ? VP1304螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果與分析

2.1? 主尺度

VP1304螺旋槳（圖1）為SVA水池公開(kāi)敞水試驗(yàn)性能的槳模，其主要尺度如表1所列[4]。

2.2? ?計(jì)算前處理工作

2.2.1 計(jì)算域

螺旋槳計(jì)算域（縱向）如圖2所示。速度進(jìn)口處距離螺旋槳原點(diǎn)5D;出口處距離螺旋槳原點(diǎn)10D;各周界距離螺旋槳原點(diǎn)3D;螺旋槳旋轉(zhuǎn)域直徑為1.3D。

2.2.2網(wǎng)格劃分及邊界層設(shè)置

計(jì)算域基本網(wǎng)格尺寸為8 mm。螺旋槳槳葉邊界細(xì)化網(wǎng)格，設(shè)置為5%基本網(wǎng)格;槳葉面細(xì)化網(wǎng)格，設(shè)置為25%基本網(wǎng)格;遠(yuǎn)場(chǎng)進(jìn)口、出口、周界網(wǎng)格設(shè)置為1 500倍基本網(wǎng)格。

螺旋槳水動(dòng)力性能的正確模擬依賴(lài)于計(jì)算域網(wǎng)格與邊界層網(wǎng)格的合理劃分，尤其是近壁面處邊界層網(wǎng)格的合理評(píng)估會(huì)大大影響螺旋槳數(shù)值模擬的正確性。

以近壁面函數(shù)近似預(yù)估近壁面邊界層厚度及層數(shù)。

引入速度和距壁面垂向距離無(wú)因次量：

由于螺旋槳槳模雷諾數(shù)較小，以初始y+=1計(jì)算近壁面第一層網(wǎng)格中心距壁面距離;以厚度增長(zhǎng)率為1.3，計(jì)算邊界層層數(shù)m=5和m=10時(shí)邊界層厚度。

根據(jù)以上網(wǎng)格尺度及邊界層厚度、層數(shù)劃分計(jì)算域網(wǎng)格。螺旋槳葉面網(wǎng)格如圖3所示，螺旋槳周界面網(wǎng)格如圖4所示，邊界層層數(shù)為5層及10層時(shí)邊界層細(xì)化網(wǎng)格如圖5、圖6所示。

2.2.3? 湍流模型及邊界條件

湍流模型采用k-ε模型，邊界層選用壁面函數(shù)法;速度進(jìn)口速度值VA=J·n·D[3];旋轉(zhuǎn)域添加旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)速度為螺旋槳轉(zhuǎn)速n;計(jì)算域進(jìn)口、出口、周界邊界條件，分別為速度進(jìn)口、壓力出口、對(duì)稱(chēng)平面。

2.3? 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算不同進(jìn)速系數(shù)、不同邊界層層數(shù)和厚度下，螺旋槳的推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及效率ηo。數(shù)值模擬結(jié)果及與試驗(yàn)值的誤差，如表2～表4所列：

比較CFD數(shù)值模擬結(jié)果與繪制的螺旋槳水動(dòng)力性能曲線可以得到：相同的基本網(wǎng)格尺寸、計(jì)算域范圍、湍流模型、邊界條件、壁面模型下，不同的壁面邊界層層數(shù)和厚度下計(jì)算結(jié)果不同;比較不同進(jìn)速系數(shù)J的計(jì)算結(jié)果可知，在相同的估算方法下，邊界層為5層時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算精度優(yōu)于邊界層為10層時(shí)計(jì)算結(jié)果;另外，邊界層為5層時(shí)螺旋槳推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、效率的計(jì)算誤差均小于4%，均在工程允許范圍內(nèi)。

3? ?某集裝箱船實(shí)槳水動(dòng)力性能分析

3.1? 螺旋槳幾何尺度

3.2? 計(jì)算前處理工作

該螺旋槳槳模尺度與VP1304槳相近，計(jì)算域、網(wǎng)格尺度、湍流模型等設(shè)置與VP1304槳相同。根據(jù)VP1304槳計(jì)算結(jié)果精度，該螺旋槳邊界層按層數(shù)m=5估算近壁面邊界層厚度。根據(jù)網(wǎng)格尺度及邊界層要求，該螺旋槳網(wǎng)格劃分如圖10、圖11所示，邊界層網(wǎng)格如圖12所示。

該集裝箱船在設(shè)計(jì)吃水下，通常對(duì)應(yīng)螺旋槳敞水試驗(yàn)進(jìn)速的范圍為J=0.6～0.7。由表6可知：在進(jìn)速J=0.6～0.7時(shí)，螺旋槳推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、效率的CFD數(shù)值模擬結(jié)果的誤差均小于4%（工程允許誤差為5%）;在進(jìn)速系數(shù)J=0.4、0.5、0.8時(shí)，其CFD計(jì)算誤差均小于5%，均在工程可接受范圍內(nèi)。

根據(jù)該螺旋槳計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證了在該計(jì)算域范圍、網(wǎng)格尺度設(shè)置、邊界層層數(shù)和厚度設(shè)置下，CFD法適用于螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)，計(jì)算誤差在工程允許范圍之內(nèi)。

比較SVA VP1304槳CFD水動(dòng)力性能數(shù)值模擬精度與該槳數(shù)值模擬精度，可發(fā)現(xiàn)該螺旋槳數(shù)值模擬結(jié)果比VP1304槳數(shù)值模擬結(jié)果稍差，其主要原因是螺旋槳幾何建模的差異與槳轂流體導(dǎo)入處的幾何差異[4-5]。

4? ?結(jié)論

通過(guò)比較SVA VP1304槳和某集裝箱船螺旋槳的CFD計(jì)算結(jié)果與敞水試驗(yàn)值，可以得到如下結(jié)論：

（1）? CFD法適用于螺旋槳水動(dòng)力性能預(yù)報(bào);

（2） 合理的計(jì)算域范圍、網(wǎng)格尺寸、邊界層層數(shù)和厚度、湍流模型等，可提高數(shù)值模擬計(jì)算精度。按本文提出的各項(xiàng)設(shè)置，CFD計(jì)算結(jié)果均滿(mǎn)足工程精度要求，可用于螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào);

（3）? CFD敞水試驗(yàn)?zāi)M誤差，主要源于螺旋槳幾何模型、近壁面邊界層估算、湍流模型選擇等。本文后續(xù)可進(jìn)一步探討采用其它湍流模型，如k-ω湍流模型、雷諾應(yīng)力方程模型等。另外，螺旋槳幾何模型對(duì)模擬結(jié)果有一定影響，后續(xù)需進(jìn)一步加以研究。

參考文獻(xiàn)

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[4] Judyta Felicjancik. Numerical Simulations of Hydrodynamic open-waterCharacteristics of a? Ship Propeller[J]. Polish Maritime Research 4 （92） 2016?Vol. 23.

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