簡(jiǎn)化伴流中螺旋槳空泡性能數(shù)值模擬方法

翟樹(shù)成，馬艷，劉登成，洪方文

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082)

船后螺旋槳空泡變化特征主要來(lái)源于船后非均勻流場(chǎng)，采用船后螺旋槳整體方案來(lái)預(yù)報(bào)螺旋槳空泡性能時(shí)計(jì)算量較大。而在螺旋槳設(shè)計(jì)階段，出于商業(yè)秘密，有時(shí)并無(wú)船體三維模型，僅有船體主參數(shù)及伴流分布特征等輸入?yún)?shù)，此時(shí)就需要采用簡(jiǎn)化伴流方法開(kāi)展螺旋槳空泡性能預(yù)報(bào)。考慮分析簡(jiǎn)化伴流中螺旋槳空泡性能與船后螺旋槳空泡性能的差異特征，為螺旋槳空泡性能設(shè)計(jì)提供快速可靠的預(yù)報(bào)方法。

1 模型對(duì)象

選擇典型的肥大型商船，相較于尖瘦型船舶，其艉部流場(chǎng)更復(fù)雜，伴流更大，空泡模擬更困難。船型及槳葉的主要參數(shù)見(jiàn)表1，坐標(biāo)原點(diǎn)位于槳盤(pán)面與槳軸的交點(diǎn)，軸垂直向上，軸指向右舷，坐標(biāo)系滿足右手法則，由船艉向船艏看，螺旋槳順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，工況見(jiàn)表2。

表1 船體及螺旋槳主參數(shù)(實(shí)船)

表2 計(jì)算工況

2 數(shù)值方法

2.1 網(wǎng)格及模擬過(guò)程

計(jì)算域范圍見(jiàn)圖1，自由液面處采用對(duì)稱邊界條件，入口、側(cè)面及底面采用速度入口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。

圖1 計(jì)算域及邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行流體域劃分，船體物面及螺旋槳物面采用棱柱形網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，總層數(shù)為8層，增長(zhǎng)比例為1.2(見(jiàn)圖2)，船體壁面≈30，螺旋槳壁面≈20，總網(wǎng)格數(shù)約為980萬(wàn)單元。

圖2 網(wǎng)格劃分模型

2.2 控制方程及空泡模型

假設(shè)汽/液多相流模擬時(shí)流體是均勻的，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程為

(1)

(2)

式中：是速度項(xiàng)；為力源項(xiàng);為混合相壓力；為湍流粘性。這里采用適用于螺旋槳周圍復(fù)雜流場(chǎng)模擬的SST-湍流模型,空泡模型為Schnerr-Sauer空泡模型，空泡界面處理采用了VOF方法。

3 結(jié)果分析

3.1 船后標(biāo)稱伴流

船后標(biāo)稱伴流預(yù)報(bào)采用來(lái)流速度進(jìn)行無(wú)量綱處理，定義12點(diǎn)鐘位置為0°，受到船體邊界層的影響，在0°附近形成了較明顯的低速區(qū)域。

3.2 簡(jiǎn)化伴流條件下螺旋槳空泡性能

采用標(biāo)稱伴流作為入流邊界條件模擬螺旋槳空泡形態(tài)，計(jì)算域見(jiàn)圖3。

圖3 計(jì)算域

總網(wǎng)格數(shù)約為2.1×10，約為船后螺旋槳總網(wǎng)格數(shù)量的1/4，因此可以提高螺旋槳空泡預(yù)報(bào)效率4倍。通過(guò)調(diào)整入流場(chǎng)的水速，使螺旋槳推力系數(shù)達(dá)到所需要的值。采用簡(jiǎn)化方法模擬螺旋槳空泡性能時(shí)，為了監(jiān)測(cè)空泡誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力，在螺旋槳上方布置一平板模擬船底板以監(jiān)測(cè)脈動(dòng)壓力。平板下表面與槳葉梢部的距離滿足梢隙比要求，平板寬度及長(zhǎng)度與船底板相當(dāng)。

簡(jiǎn)化伴流下螺旋槳空泡形態(tài)與船后螺旋槳空泡形態(tài)的比較見(jiàn)圖4，可以看到在簡(jiǎn)化伴流下預(yù)報(bào)的螺旋槳空泡特征與船后螺旋槳空泡特征相似。在槳葉位于-10°時(shí)，試驗(yàn)中空泡形狀出現(xiàn)于0.8，呈點(diǎn)狀出現(xiàn)，而仿真結(jié)果呈現(xiàn)片狀出現(xiàn)，徑向范圍較寬，0°位置時(shí)，試驗(yàn)中導(dǎo)邊片空泡未延伸至梢部，而仿真模擬結(jié)果均延伸至梢部，10°位置時(shí)，試驗(yàn)中空泡凸出部分更靠隨邊。隨后片空泡與梢渦空泡相互作用，并形成不穩(wěn)定梢渦空泡拖泄至下游，仿真結(jié)果同樣預(yù)報(bào)出這一現(xiàn)象，但梢渦空泡的長(zhǎng)度及范圍較試驗(yàn)值更小。

圖4 螺旋槳空泡形態(tài)比較

脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖5，空泡誘導(dǎo)的船體脈動(dòng)壓力比較見(jiàn)圖6。

圖5 脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)位置示意

圖6 脈動(dòng)壓力幅值比較

將脈動(dòng)壓力時(shí)序監(jiān)測(cè)信號(hào)通過(guò)快速傅里葉方法換算至頻域，然后提取1階、2階和3階葉倍頻處的脈動(dòng)壓力幅值進(jìn)行分析。采用簡(jiǎn)化伴流方法獲得空泡誘導(dǎo)船體脈動(dòng)壓力1階值在～位置均能夠與船后預(yù)報(bào)以及船后試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，而～均偏大，2階值同樣有此現(xiàn)象。因?yàn)檫@些點(diǎn)位于船側(cè)，船體的弧度導(dǎo)致船后狀態(tài)螺旋槳空泡離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離大于簡(jiǎn)化伴流時(shí)螺旋槳空泡離檢測(cè)點(diǎn)的距離，導(dǎo)致簡(jiǎn)化伴流模擬時(shí)這些位置的脈動(dòng)壓力仿真結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果偏大。3階值無(wú)論是船后或者是指定伴流預(yù)報(bào)結(jié)果均較試驗(yàn)值偏大?？张葑陨砻}動(dòng)及梢渦空泡是影響2階、3階量的重要因素之一，此外，指定伴流模擬時(shí)空泡形態(tài)預(yù)報(bào)結(jié)果稍大，也是導(dǎo)致空泡誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力幅值偏高的原因之一，若采用更精細(xì)的梢渦空泡模擬可以提高脈動(dòng)壓力的預(yù)報(bào)精度，但是計(jì)算量會(huì)成倍增加。

4 結(jié)論

1)受到船體邊界層的影響，船后標(biāo)稱伴流場(chǎng)在周向0°附近形成了明顯的低速區(qū)域。

2)螺旋槳空泡預(yù)報(bào)結(jié)果及發(fā)展過(guò)程與試驗(yàn)吻合較好，采用簡(jiǎn)化伴流方法預(yù)報(bào)捕捉到了相同的空泡形態(tài)以及發(fā)展特征，包括片空泡凸出部隨槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)角度的移動(dòng)過(guò)程以及與梢渦空泡的相互作用過(guò)程等，數(shù)值模擬方法預(yù)報(bào)獲得了梢渦空泡特征，但梢渦空泡長(zhǎng)度較試驗(yàn)結(jié)果梢短。

3)簡(jiǎn)化伴流方法預(yù)報(bào)的螺旋槳空泡脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)結(jié)果與船后及試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

4)采用簡(jiǎn)化伴流的方法所獲得的螺旋槳空泡特征能夠較好地反映船后螺旋槳空泡性能，可以滿足螺旋槳設(shè)計(jì)中所需的船后螺旋槳空泡性能評(píng)估；同時(shí)，由于計(jì)算過(guò)程中不包含船體模型，計(jì)算時(shí)間大大縮短，可提高螺旋槳空泡性能預(yù)報(bào)效率。