基于滑移网格法桨——舵相互干扰流场分析

陈 卫 叶 敏

（台州科技职业学院，浙江台州 318020）

螺旋桨布置在船尾，其水动力性能受到船体、舵等因素的影响，工作环境相对复杂，通过单桨模型模拟螺旋桨的流场所得的粘性流程与实际的工况存在很大的差异，因此，很有必要考虑船体、舵等因素对于螺旋桨尾流的影响。但是，在进行船、桨、舵一体化模拟存在着一定的困难，网格数庞大，不利于数值模拟的准确性。

本文通过模拟螺旋桨—舵的相互干扰，在这种运动模式下，流场随着时间呈现出周期性的变化，在模拟过程中采用非定常的方法计算模拟。

在处理螺旋桨与舵之间的动静关系中，螺旋桨区域作为网格旋转区域，其它区域作为静止区域处理，采用滑移网格计算，其基本原理是将几网格划分成几个区域，交界面两侧网格相互滑动，而不要求交接面两侧的网格结点相互重合，在计算过程中使经过其交接面的通量相等。在数值计算的过程中，通过网格交界面的通量是根据两个交界面区域的相交部分来计算的。

1 数学模型

标准k－ε模型是基于湍流动能k和湍流动能耗散率ε的输运方程上建立起来的半经验模型。湍流动能k和湍流动能耗散率ε由以下的输运方程描述：

运动方程［1－3］：

2 计算模型与网格划分

本文选用螺旋桨模型为JDC4－55［4］，试验模型号为9004，直径D＝0.3036m，初始螺距比P／D＝1.0，毂径比0.28，叶背方向取为Z轴正方向，转速n＝900rpm，本文所采用的舵为半平衡舵，舵高272mm，通过改变进速来改变进速系数［5］。计算雷诺数取为1.3×106，大于临界雷诺数。

试验中，采用滑移网格模型对不同计算域进行数值计算，计算域见表1。

表1 计算域及网格

计算区域划分如图1所示，网格的划分思路为螺旋桨与舵区域由于其结构的不规则性，特别是螺旋桨的结构高度扭曲，该区域采用较密的非结构网格，外围流场为结构化六边形网格。其余量分布如图2所示。

图1 流畅区域

图2 余量分布

图3 压力分布

3 计算结果显示

图4 轴向速度分布（z＝－0.08m）

在舵角变化的情况下，螺旋桨尾流也发生变化，本文在舵角分别为30度和60度时进行计算，随着舵角的增加，流场作用在舵上的压力有所增加，表现为作用在舵上的压力峰值提高，并且压力较大区域的面积扩大，如图3所示。并检测得到距离桨叶后方0.08m处的速度分布如图4，由检测结果可知，随着舵角增大，尾留的速度有减小的趋势。

4 结 语

（1）模拟桨—相互干扰的粘性流场，表明CFD方法可以较好的模拟动静相互干扰的粘性流场。

（2）桨—舵干扰下，螺旋桨压力分布与单桨时所得到的压力分布趋势相同，叶背区域压力小，叶背区域的叶梢处是桨叶压力的最小区域，叶面区域压力较大。该区域的叶梢处是桨叶的压力最大值。

（3）在舵角增大时，桨—舵之间的流场的速度减少，压力变大，与理论相符。

1 姚震球，高慧，杨春蕾.螺旋桨三维建模与水动力数值分析［J］.船舶工程，2008（6）：23－26

2 李巍，王国强，汪蕾.螺旋桨粘流水动力特性数值模拟［J］，上海交通大学学报，2007.（4）：10－20

3 胡健，黄胜.可调螺距螺旋桨水动力性能分析［J］，船舶工程，2007（6）：41－45

4 陈泽，朱超，施用山等.JDC4－55可调螺距螺旋桨系列［J］，海洋工程，1993（4）：13－22

5 Salvatore F，et al.A Viscous／Inviscous Coupled Formulation for Unsteady Sheet Cavitations Modeling of Marine Propellers［C］.Fifth International Symposium on Capitation，Japan，November 2003.