固定架對導(dǎo)管槳敞水性能的影響分析

付南聰 王冬姣 葉家瑋

摘? ? 要：導(dǎo)管槳可比開式螺旋槳提供更大的推力。根據(jù)某水下清污機器人的結(jié)構(gòu)特點，提出了一種帶有標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)管19A及固定架的導(dǎo)管槳，將螺旋槳電機安裝在固定架的電機艙內(nèi)，固定架的存在將影響導(dǎo)管槳的水動力性能。為此，利用STAR-CCM+對含固定架的設(shè)計導(dǎo)管槳進(jìn)行了水動力性能分析。數(shù)值模擬結(jié)果表明：增大固定架套筒的直徑會降低導(dǎo)管槳的推力，通過改進(jìn)電機艙端部形狀，能在較高進(jìn)速系數(shù)下有效提高其敞水性能。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管槳；STAR-CCM+；多面體網(wǎng)格；敞水性能

中圖分類號：P731.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Influence Analysis of Fixing Bracket on Performance of

Ducted Propeller in Open Water

FU Nancong， WANG Dongjiao， YE Jiawei

（ South China University of Technology，? Guangzhou 510641 ）

Abstract： Ducted propellers can provide more thrust than open propellers. According to the structural characteristics of the underwater cleaning robot， a ducted propeller with a standard duct 19 A and a fixed frame is proposed. The propeller motor is installed in the motor room of the fixed frame. The existence of the fixed frame will affect the hydrodynamic performance of the ducted propeller. For this purpose， the hydrodynamic analysis of the designed ducted propeller with fixed frame was carried out by using software STAR-CCM+. The numerical simulation results show that the thrust of the ducted propeller can be reduced by increasing the diameter of the fixed frame sleeve. By improving the shape of the end of its motor compartment， it can effectively improve the open water performance at higher advance ratio.

Key words： ducted propeller;? STAR-CCM+;? polyhedral mesh;? open water performance

1? ? ?前言

導(dǎo)管螺旋槳作為海洋結(jié)構(gòu)物常用的推進(jìn)器，能夠在重載時表現(xiàn)出較高的推進(jìn)效率，并且能夠有效地減少外部流場變化對轉(zhuǎn)矩的干擾影響[1]。精準(zhǔn)預(yù)報導(dǎo)管槳的水動力性能，是確保結(jié)構(gòu)物在海洋中完成既定航行軌跡的有力保障。宋科等[2]分別對導(dǎo)管槳的導(dǎo)管長度、導(dǎo)管攻角、螺旋槳縱傾角及多導(dǎo)管組對水動力特性的影響進(jìn)行分析，可為導(dǎo)管槳設(shè)計過程中的選型及優(yōu)化提供指導(dǎo)；邱鵬等[3]基于重疊網(wǎng)格技術(shù)對導(dǎo)管槳在非定常流場中的水動力性能進(jìn)行數(shù)值仿真，并與實驗數(shù)據(jù)相比較，表明該方法能有效模擬螺旋槳在推力和扭矩方面的性能；吳家鳴等[4]通過重疊網(wǎng)格、多參考系法和滑移網(wǎng)格法，分別對導(dǎo)管槳的水動力性能進(jìn)行仿真計算，從計算速度及計算精度兩個方面評價這三種方法在模擬過程中的優(yōu)劣；Cai等[5]采用面元法預(yù)報導(dǎo)管槳的敞水性能，結(jié)果表明該方法在保證計算精度的前提下能有效節(jié)省計算時間。

本文針對某開架式水下清污機器人[6]的推力需求和結(jié)構(gòu)特點，提出了一種含固定架的導(dǎo)管槳，將驅(qū)動螺旋槳的電機安裝在固定架的電機艙中。通過對其敞水性能進(jìn)行數(shù)值仿真，探討了固定架對導(dǎo)管槳水動力性能的影響。

2? ? ?理論基礎(chǔ)

2.1? ?控制方程及湍流模型

假設(shè)流體不可壓縮，且不存在結(jié)構(gòu)物的變形及產(chǎn)熱，其連續(xù)性方程和動量守恒方程可分別表示為：

采用Realizable k-ε模型模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)時的流場，該模型能夠?qū)r均應(yīng)變率較大時產(chǎn)生的負(fù)壓力進(jìn)行約束。

2.2? ?敞水性能系數(shù)定義

通過STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值仿真計算，可獲得如下無量綱系數(shù)：

式中：T為導(dǎo)管槳總推力；Q為扭矩；ρ為水的密度；J為進(jìn)速系數(shù)；VA為螺旋槳進(jìn)速；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑；KTN為導(dǎo)管的推力系數(shù)；Tn為導(dǎo)管推力；KT為導(dǎo)管槳總推力系數(shù)；KQ為扭矩系數(shù)；η0為導(dǎo)管槳的敞水效率。

3? ? ?數(shù)值模擬

3.1? ?模型建立

根據(jù)圖1所示開架式水下機器人的結(jié)構(gòu)特點，選用19 A型導(dǎo)管+Ka4-55螺旋槳的導(dǎo)管槳，且前端配有電機安裝艙、套筒及支架組成的固定架，其中支架采用流線型支柱，通過Solidworks軟件建模，如圖2所示。槳葉的參數(shù)見表1，固定架參數(shù)見表2。

3.2? ?計算域及邊界條件

計算域的設(shè)置須同時考慮計算速度及計算精度，即需要提供足夠大的計算流場域，以確保流場的擾動能夠被完全捕捉以及尾跡能夠充分發(fā)展且不影響螺旋槳的轉(zhuǎn)動，同時又需要盡可能小的計算流場域以達(dá)到盡可能少的網(wǎng)格從而降低計算成本。

考慮到模型的物理特征，計算域設(shè)置為圓柱型，以螺旋槳直徑D為計算域的長度設(shè)計最小單位，設(shè)置槳葉距入口處距離為4 D，距出口處距離為5 D，出入口直徑為8 D。

整體區(qū)域分為兩個計算域：一個是包含螺旋槳槳葉的旋轉(zhuǎn)域，另一個是包含導(dǎo)管和固定架在內(nèi)的外部流域。其中，兩個計算域的數(shù)據(jù)通過內(nèi)部交界面來進(jìn)行傳遞，入口處的邊界條件為速度入口，出口處的邊界條件為壓力出口，計算域側(cè)面的邊界條件設(shè)置為對稱面，螺旋槳、導(dǎo)管以及固定架均設(shè)置為壁面，如圖3所示。

3.3? ?網(wǎng)格劃分

采用切割體網(wǎng)格。對于內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格，由于其包含螺旋槳槳葉部分，表面曲率變化較大且不均勻，因此基礎(chǔ)尺寸設(shè)置較為精細(xì)，導(dǎo)管槳表面的網(wǎng)格分布如圖4（a）所示；外部流域網(wǎng)格可以相對粗糙一點，因此設(shè)置基礎(chǔ)尺寸較為粗糙；為了捕捉較為精細(xì)的流場細(xì)節(jié)，還需要對尾流區(qū)域進(jìn)行局部加密。

計算域網(wǎng)格如圖4 （b）、4（c）所示。通過改變基礎(chǔ)尺寸數(shù)值大小即可改變整體計算域網(wǎng)格數(shù)量，具體設(shè)置網(wǎng)格數(shù)如表3所示，取進(jìn)速系數(shù)J為0.1。從表3結(jié)果可以看出，不同網(wǎng)格數(shù)對應(yīng)的計算結(jié)果已經(jīng)趨于穩(wěn)定，因此為節(jié)約計算時間取網(wǎng)格數(shù)為155萬的網(wǎng)格為計算網(wǎng)格。此時旋轉(zhuǎn)域的基礎(chǔ)尺寸為0.05 m，外部域的基礎(chǔ)尺寸為0.08 m，并設(shè)置邊界層數(shù)為3。

4? ? ?結(jié)果分析

1）通過仿真計算得到19 A型導(dǎo)管+Ka4-55螺旋槳的常規(guī)導(dǎo)管槳的敞水性能曲線，并與圖譜曲線進(jìn)行對比，如圖5所示。圖中：Exp.表示圖譜數(shù)據(jù)，來源于荷蘭實驗室所公開的19 A型導(dǎo)管+Ka4-55螺旋槳的敞水性能實驗數(shù)據(jù)[7]；Cal.表示仿真結(jié)果。根據(jù)圖5可知，仿真計算結(jié)果能較好地擬合圖譜的曲線，說明該數(shù)值模擬方法具有一定的準(zhǔn)確性，計算結(jié)果具有可信度。

2）圖1所示的水下機器人導(dǎo)管槳，在正車工況下，來流需通過固定架才能進(jìn)入導(dǎo)管槳的旋轉(zhuǎn)區(qū)域，含固定架導(dǎo)管槳的水動力性能與無固定架情況的比較，如圖6所示，圖中fix表示考慮固定架影響后的計算結(jié)果。由圖6可知，增加固定架后導(dǎo)管槳的軸向力減小而周向力增大，從而使得螺旋槳的敞水效率η0降低，表明固定架的存在導(dǎo)致螺旋槳對電機功率的利用效率下降。

3）在電機安裝艙直徑無法減小的前提下，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)固定架長度對導(dǎo)管槳敞水性能影響較小?，F(xiàn)針對固定架套筒的外徑進(jìn)行影響分析，取固定架長度L=0.6 D，固定架套筒外徑Df分別取0.77 D、0.85 D和1 D，其中D為導(dǎo)管槳槳葉直徑，計算結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，隨著固定架套筒外徑的增大，導(dǎo)管槳在各進(jìn)速系數(shù)下產(chǎn)生的軸向推力和對應(yīng)的敞水效率逐漸下降。

4）為探討固定架套筒直徑的增大是通過何種方式影響導(dǎo)管槳的敞水性能，將設(shè)計導(dǎo)管槳分模塊討論受力情況，結(jié)果如圖8所示。圖中Tp表示螺旋槳受力，Tn表示導(dǎo)管受力，Tba表示電機艙受力，Tw表示固定架套筒壁面受力，Tf表示固定架中的支架受力。隨著固定架套筒直徑的增加，固定架各部分的受力并沒有顯著降低，盡管在進(jìn)速系數(shù)J小于0.8時，螺旋槳的推力Tp有所提高，但是導(dǎo)管受力Tn卻明顯下降且下降幅度大于Tp的增長幅度，因此在電機艙直徑一定時，導(dǎo)致導(dǎo)管槳整體推力下降的主要因素是位于導(dǎo)管槳前方的固定架，隨套筒直徑的增大而影響了進(jìn)入導(dǎo)管槳的流場，從而影響了導(dǎo)管槳的水動力性能。

從圖8可知，固定架最大的不利影響是由圓柱形電機艙帶來的，而電機尺寸決定了電機艙的大小。因此在無法減小圓柱形電機艙直徑的前提下，為減小固定架對導(dǎo)管槳整體性能的影響，針對電機艙端部形狀做出改進(jìn)，即使用圖9所示的偏橢圓狀的防水接頭。

電機艙端部形狀改進(jìn)前后，含固定架之導(dǎo)管槳的計算結(jié)果，如圖10所示。結(jié)果表明，與原圓柱形電機艙比較，改變電機艙端部形狀后，低進(jìn)速時含固定架導(dǎo)管槳的水動力性能略有改善，而在高進(jìn)速下，改變電機艙端部形狀后通過降低作用在電機艙上的阻力，可有效提升導(dǎo)管槳整體的敞水效率。

5? ? ?結(jié)語

針對某開架式水下清污機器人的結(jié)構(gòu)特點，提出了一種含固定架以安裝螺旋槳電機的導(dǎo)管槳，并利用STAR-CCM+對其敞水性能進(jìn)行數(shù)值仿真，在電機艙直徑無法減小的基礎(chǔ)上分析了固定架的長度、固定架套筒外徑和電機艙端部形狀對含固定架之導(dǎo)管槳敞水性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）與無固定架導(dǎo)管槳比較，固定架的存在將導(dǎo)致導(dǎo)管槳敞水效率降低；在電機艙直徑無法減小的情況下，改變固定架的長度對導(dǎo)管槳的水動力性能影響較小，而固定架套筒的外徑變化對導(dǎo)管槳的推進(jìn)性能有一定的影響，因此需在實際設(shè)計安裝過程中有所考慮；

2）與原圓柱型電機艙相比，通過增加橢圓形防水接頭，改進(jìn)電機艙端部形狀，能減小作用在電機艙上的阻力，有效提升高進(jìn)速時含固定架導(dǎo)管槳的敞水效率。

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