螺距與拱度對螺旋槳水動力性能影響研究

武 璇，仉永超，靳良真，李廣輝

(濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108)

0 引言

基于環(huán)流理論設(shè)計螺旋槳的過程中，要使螺旋槳的性能達到最佳狀態(tài)，應(yīng)合理選擇螺旋槳各參數(shù)的分布形式。影響螺旋槳性能的參數(shù)主要有槳轂形狀、盤面比、側(cè)斜和縱傾等，在螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計中必須首先知道這些參數(shù)對螺旋槳水動力性能和空泡性能的影響。

王超等基于速度勢面元法研究了側(cè)斜與縱傾對螺旋槳水動力性能的影響。胡健等基于CFD方法，探討了縱傾螺旋槳敞水性能和空化性能的影響。王詩洋等基于速度勢面元法，研究了螺旋槳幾何參數(shù)對其水動力性能的影響。以上文獻研究了螺旋槳幾何參數(shù)，并取得一系列成果，但對葉切面參數(shù)對螺旋槳水動力性能的影響研究較少。為此，本文以KP505螺旋槳為原型，借助CFD軟件對螺旋槳的水動力性能進行數(shù)值模擬，并探討不同螺距、拱度的徑向分布對螺旋槳水動力性能的影響，總結(jié)各性能參數(shù)的變化規(guī)律。

1 控制方程

在螺旋槳水動力性能數(shù)值模擬過程中，流體均視為不可壓縮流體，因此基本控制方程包括連續(xù)性方程和動量守恒方程，如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

μ

為湍流粘度；

G

為由平均速度梯度引起的湍動能

k

的生成項；

C

、

σ

、

σ

為常數(shù)，分別等于1.9、1.0、1.2。

2 幾何模型建立

本文以KP505螺旋槳為研究對象，其模型主要參數(shù)如下：直徑0.25 m，葉數(shù)5，盤面比0.8，側(cè)斜角32°，螺距比0.996 7，翼型NACA66。

根據(jù)文獻[7]提供的螺旋槳的幾何參數(shù)，且已知NACA66翼型的拱度、厚度沿弦長的分布形式，便可以通過計算得到各切面二維坐標；然后根據(jù)坐標轉(zhuǎn)換公式，通過Fortran自編代碼計算槳葉離散點三維坐標(其中：

x

軸指向螺旋槳后方，

y

軸垂直向上，

z

軸按照右手定則)；最后將槳葉的三維坐標點導(dǎo)入UG軟件中，通過三維坐標點生成螺旋槳曲面，并進行曲面縫合、實體陣列生成實體三維模型?？紤]槳轂對推進器水動力性能的影響較小，本文采用假定的槳轂進行三維建模。在三維軟件中建立的KP505螺旋槳空間坐標點及三維幾何模型見圖1。

圖1 KP505螺旋槳空間坐標點和三維幾何模型

3 螺旋槳水動力性能數(shù)值模擬

3.1 計算域與邊界條件設(shè)置

本文采用STAR-CCM+軟件對螺旋槳水動力性能進行數(shù)值模擬時，流場計算域的大小劃分見圖2。將計算域劃分為靜止域和旋轉(zhuǎn)域，且均為圓柱體。為了更好地模擬螺旋槳復(fù)雜的尾流流動，本文設(shè)置速度入口與槳盤面的距離為5

D

(

D

為螺旋槳直徑)，壓力出口與槳盤面距離為13

D

，靜止區(qū)域半徑為3

.

5

D

，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的軸向距離為0

.

6

D

，旋轉(zhuǎn)區(qū)域直徑為1

.

2

D

。對該區(qū)域采用動參考系模型(Moving Reference Frame，MRF)方法設(shè)置旋轉(zhuǎn)坐標系，實現(xiàn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運動。

圖2 計算域劃分示意圖

邊界條件的設(shè)置：計算域軸向上游邊界設(shè)為速度入口，以給定進口邊界上各節(jié)點的速度值；軸向下游邊界設(shè)為壓力出口；槳葉、槳轂表面均設(shè)為無滑移壁面；靜止域周向邊界設(shè)為對稱平面；靜止域和旋轉(zhuǎn)域相互接觸界面均設(shè)置為交界面以傳遞數(shù)據(jù)信息，從而保證流動的連續(xù)性。

3.2 網(wǎng)格劃分與無關(guān)性驗證

圖3 計算域軸向網(wǎng)格劃分示意圖

表1 3種不同密度網(wǎng)格數(shù)量

不同網(wǎng)格密度進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證時，螺旋槳轉(zhuǎn)速取

n

=20 rad/s，且在計算中保持轉(zhuǎn)速不變，通過改變?nèi)肟谒俣戎祦淼玫讲煌倪M速系數(shù)。不同網(wǎng)格密度的螺旋槳水動力性能計算結(jié)果與試驗值誤差見表2(KP505敞水試驗數(shù)據(jù)來自文獻[9])。由表2可知：在進速系數(shù)

J

=0.3～0.7工況下，3種網(wǎng)格密度計算所得到的結(jié)果均與試驗值吻合較好，誤差均在5%以內(nèi)，僅粗密度網(wǎng)格所對應(yīng)的計算結(jié)果與試驗值誤差稍微偏大；而中密度與細密度網(wǎng)格所對應(yīng)的計算結(jié)果與試驗值誤差并無明顯減小，反而出現(xiàn)波動現(xiàn)象。在

J

=0.9工況下，3種網(wǎng)格密度計算所得到的值均出現(xiàn)誤差較大現(xiàn)象。這是因為在螺旋槳敞水性能計算過程中，所采用的湍流模型均基于湍流充分發(fā)展的前提下，而對于螺旋槳槳模敞水試驗中存在層流區(qū)域和過渡區(qū)域，因此采用充分發(fā)展的湍流模型會導(dǎo)致螺旋槳敞水數(shù)值模擬誤差偏大。但整體而言，隨網(wǎng)格密度的增加，其數(shù)值計算精度并未明顯改善。由于計算資源的限制，本文選用中密度網(wǎng)格進行后續(xù)計算研究。

表2 不同網(wǎng)格密度下KP505螺旋槳水動力性能計算結(jié)果

3.3 不同螺距與拱度的徑向分布

為討論螺距、拱度分別對螺旋槳水動力性能的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，只改變螺旋槳螺距、拱度的徑向分布。為了便于分析與比較，在原母型槳螺距、拱度的基礎(chǔ)上，分別選取了0.9倍和1.1倍徑向螺距分布0.6倍和1.4倍徑向拱度分布。螺距、拱度沿徑向的分布形式見圖4。

r—螺旋槳任意處的半徑；R—螺旋槳半徑。

3.4 螺距與拱度對螺旋槳水動力性能影響分析

J

=0.1～1.1時不同螺距下對應(yīng)的敞水曲線見圖5。從計算的敞水曲線結(jié)果可以看出，

K

、

K

和

η

隨

J

的變化規(guī)律一致且與常規(guī)圖譜槳的敞水圖譜隨螺距的變化規(guī)律一致。隨著螺旋槳的螺距增大，其推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)均明顯增大。另外，在螺旋槳盤面比不變的情況下，增加螺距會導(dǎo)致螺旋槳單位面積的平均推力增大，使得葉元體最大減壓系數(shù)增大且更易產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。而對于敞水效率而言，在中、低進速系數(shù)下，螺距越小，效率越高，其最高效率點隨螺距的增大所對應(yīng)的

J

也隨之增大。

圖5 不同螺距下螺旋槳敞水曲線對比

J

=0.1～0.9時不同拱度所對應(yīng)的敞水曲線見圖6。從計算的敞水曲線結(jié)果可以看出：

K

、

K

和

η

隨進速系數(shù)

J

的變化規(guī)律一致。另外，隨著螺旋槳的拱度增大，其推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)均明顯增大；而對于敞水效率而言，在最高效率點之前，效率隨著拱度的增加而降低，其效率值變化幅度較小。

圖6 不同拱度下螺旋槳敞水曲線對比

從

J

=0.4時不同拱度下槳葉表面壓力分布可知：隨著葉切面拱度的增大，導(dǎo)致螺旋槳槳葉表面壓力特性的變化，其葉面的壓力沿弦長方向的變化較為明顯，葉面、葉背的高壓區(qū)域由隨邊向?qū)н呥^渡，導(dǎo)致螺旋槳葉面、葉背的壓力差增大，所以導(dǎo)致螺旋槳推力的增大。另一方面，隨著葉切面拱度的增大，槳葉切面上的水流速度過快,葉背壓力明顯下降,使得葉背更易達到水的汽化壓力臨界值，進而導(dǎo)致葉背區(qū)域的空泡出現(xiàn)更早且面積更大；槳單位面積上承受壓力過大引起的空泡，除了會產(chǎn)生螺旋槳的空泡剝蝕外,同時會誘導(dǎo)槳產(chǎn)生空化噪聲。所以在螺旋槳設(shè)計優(yōu)化時應(yīng)選擇合適的拱度比，以設(shè)計出性能最佳的螺旋槳。

4 結(jié)論

(1)通過網(wǎng)格無關(guān)性驗證，得到計算誤差基本在5%以下，驗證了本文所建立的幾何模型、數(shù)值模型對數(shù)值求解的準確性。

(2)盤面比不變時，隨螺距、拱度的增大，螺旋槳推力顯著增大，其單位面積上的平均推力增大，導(dǎo)致葉切面的最大減壓系數(shù)增大且更易產(chǎn)生空泡。

(3)在中、低進速系數(shù)下，螺距越小，敞水效率越高；而隨拱度的增大，敞水效率無明顯變化。