实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟

陈天福 王永生 庞之洋

（海军工程大学动力工程学院，湖北 武汉430033）

0 引言

至今，人们己经对螺旋桨做了很多深入的研究，致力于设计出具有更高效率、较小振动及更为安静的螺旋桨。随着研究的深入，开发出了一些在不同方面具有优势的特种推进器，导管螺旋桨就是其中一个。目前人们对导管螺旋桨水动力性能的研究方法主要有3种：一种是基于势流理论的理论研究，一种是试验研究，另一种是随着计算机迅速发展而新兴的计算流体力学方法［1－2］。

崔立新使用诱导速度来考虑螺旋桨与导管的相互干扰，基于势流理论对Ka4系列导管桨进行敞水性能计算，分析了进速系数对导管上的压力分布情况及其本身产生的附加推力的影响趋势［3］。吕晓军对导管螺旋桨的敞水性能进行了数值模拟，得到了在不同网格模型和湍流模型下导管螺旋桨的正车敞水性能曲线［4］。但他们都是对导管螺旋桨的模型进行建模分析，对实尺度进行预报时会产生尺度效应，司朝善等人通过对不同尺度模型敞水性能进行计算，研究了导管螺旋桨敞水特征随雷诺数的变化规律，结果表明尺度效应带来的误差可高达15．8%［5］。本文直接对导管螺旋桨进行实尺度建模，避免了尺度效应的影响。

文中用商业软件UG对某导管螺旋桨进行实尺度几何建模，然后用ANSYS软件的ICEM模块进行网格划分，采用结构化网格与非结构化网格相结合的混合网格划分方法，将划分好的网格导入CFX模块进行计算。

1 数值计算过程

1．1 物理模型

本研究对象为某导管螺旋桨，其主要参数由表1给出，导管类型为19A，几何模型如图1（a）所示。对于数值计算而言，光有螺旋桨的三维模型是不够的，还需给出其计算域的几何模型，根据相关参考文献和经验，导管螺旋桨所在的流域设置为一个圆柱形区域，如图1（b）所示，其长度为10倍桨叶直径，来流方向长度为4 D，尾流方向为6 D，直径为5倍桨叶直径，流域进行分块网格划分。根据对称性和旋转周期性，导管螺旋桨内部流域取为仅包含单个叶片的流体通道进行建模。

表1 螺旋桨的主要参数

1．2 网格及设定情况

图1 导管螺旋桨几何及计算域示意图

由于导管螺旋桨几何模型比较复杂，很难生成高质量的结构化网格，而非结构化网格更容易实现局部加密，因此对单通道进行非结构化网格划分，而外流域则较为规则，采用占资源少、精度高、映射效果好的结构化网格［6］。在计算资源足够的情况下，充分考虑流体边界层存在对计算结果的影响，并且桨叶、导管内壁面和桨毂为实体壁面，故对其设置棱柱层，保证壁面Y＋在200以内，将棱柱层设为8层，第一层厚度为0．05mm，厚度变化率为1．2；考虑到物体对流动的影响程度，经过反复探索后，最终桨叶最大尺寸设置为8mm，桨毂为12mm，导管内壁为10mm，并对桨叶边缘进行加密，桨叶随边最大尺寸为0．8mm，叶顶为1．5mm，导边设置线网格尺寸为1．2mm，以便更好地捕捉流动信息。参数设置完毕后，生成网格如图2所示，单通道总节点数为125万。而外域为了使网格尽可能模拟出真实流场，在流动剧烈的地方需进行网格加密，导管壁面第一层网格设置为0．05mm，对于其他位置，靠近桨毂和导管的地方进行适当加密，如图3所示。

图2 单通道网格

图3 外流场网格

1．3 边界条件

计算区域的边界包括入口边界、出口边界、螺旋桨和桨榖及导管表面。具体的边界设置为：入口边界取为进口速度边界，给定均匀来流的速度值，但在系泊工况时入口设为Open压力边界条件；出口边界设为压力出口，设置相对的平均静压为0，也是在系泊工况时设为Open压力边界条件；圆柱面和桨榖设置为自由滑移的壁面，即不受扰动影响；螺旋桨和导管表面设置为无滑移不可穿透的壁面，并加上粗糙度0．03mm；对于旋转部分的旋转速度设为螺旋桨的转动速度；单通道相互之间、旋转内域与结构化外域之间用界面进行匹配对接，即界面上所有节点都是两者共有的节点，从而较好地保证了计算网格的连续性；旋转域和静止域之间的动静耦合通过设置Frozen Rotor交界面实现，采用GGI技术以实现这两个计算域的数据耦合条件，保证其在公共边界上的连续光滑条件。

2 数值计算结果与分析

2．1 敞水性能曲线计算结果与试验对比

本文对定转速n＝316r／min，螺旋桨进速J＝0～0．7（间隔0．1）进行了计算。在这里通过固定转速、改变进速的办法来改变进速系数J。数据处理中推力系数KTC、扭矩系数10 KQC、推进效率ηOC分别按下式计算：

计算结果与试验结果对比如表2所示，并绘制成图谱（图4）。表中下标带C的为计算值，下标带M的为试验值。

表2 敞水性能对比表

图4 敞水性能对比图

导管桨的推力部分由桨叶和导管共同提供，在低进速系数时甚至可以贡献总推力的一半，桨叶和导管推力系数与试验值对比如表3所示。

表3 桨叶与导管推力系数对比表

为便于寻找规律性，对J＝0．1～0．7的各工况除进速J外对所有边界条件均采用了相同的设置，所以J＝0．1～0．7的曲线段是光滑圆顺的，具有很强的规律性。从图4中可以看出，总体趋势是符合敞水效率曲线的。从图表上可看出，在J＝0～0．5之间计算所得结果与试验获得的敞水性能曲线吻合度较好，KTC、KQC的最大误差分别低于6．4%和4%，而在进速系数为0．6和0．7时，误差较大，因为此时导管处于负推力状态，位于第四象限，故很难模拟准确。通过表3可以看到桨叶推力模拟得较为准确，而导管推力则误差普遍较大，目前很少有文献给出导管推力数据及原因分析，本文2．2节对于如何准确计算导管推力进行了探索。

2．2 导管推力计算

由2．1节可看出此种设置时计算的导管推力误差较大，而导管主要受力为摩擦阻力和粘压阻力，与流场和压强分布有较大关系，分析后认为旋转域的交界面位置对导管推力及桨叶推力和力矩有影响，选择在进速系数J＝0．4的工况下交界面的位置对导管螺旋桨敞水性能的影响进行研究。

由于导管外部在实际中是没有旋转的，故旋转区域的交界面只能取在导管内部。笔者对交界面的位置设置了5组进行对比，如图5所示，其中图5（a）为前面计算敞水性能时所采用的模型，此时交界面的位置凭借经验设置，使其在导管内面而距离桨叶足够的距离，保证对桨叶的水动力计算准确；图5（b）的前后交界面距中心均为200mm；图5（c）的前后交界面距中心均为300mm；图（d）的前交界面距中心为200mm，后交界面距中心为300mm；图5（e）的前交界面距中心为200mm，后交界面距中心为250mm。保持网格数量和边界条件设置不变，仅改变交界面位置，计算结果如表4所示。

图5 交界面位置示意图

从表4可以看出，交界面位置的设定对导管螺旋桨的模拟具有较大影响。从图5（b）可以看出，当交界面靠近桨叶时，导管推力模拟比较精准，但桨叶推力与力矩则误差较大；而交界面距离桨叶较远时，桨叶推力与力矩模拟较为准确，但导管推力则产生较大变化；在前交界面靠近桨叶、后交界面距桨叶适中（例如e）时，桨叶和导管推力基本能够满足精度要求。这是因为导管桨的数值模拟不仅仅要考虑对桨叶的模拟，还需要考虑导管，故旋转内域太大时，即交界面距桨叶较远，流体的流动情况与实际不符，旋转的区域较长，使得对导管的计算不准确；当前交界面靠近桨叶、后交界面距桨叶适中时，旋转区域比较符合实际流动情况，故对导管和桨叶的计算均比较准确。

表4 五组交界面结果对比

3 结语

本文通过高性能计算机直接对导管螺旋桨进行实尺度的数值模拟，避免了尺寸效应带来的误差。从数值模拟结果来看，本文的研究工作已具备了代替部分水池试验工作的基础。CFD方法得到的定性规律是可信的，既符合流体力学规律也与水池实验结果相一致；客观上CFD方法得到的结果与实验相比仍存在一定误差，这种误差来源于实体建模误差和边界条件简化设置，而在进速系数为0．7时，此时进入第四象限，推力为负数，CFD软件难以计算准确。同时本文对导管螺旋桨的旋转内域交界面位置进行了探索，因为时间有限，仅做了5组对比，进行了定量分析，对于具体合适的间距还未探索，对导管螺旋桨的内域交界面设置有一定的参考价值。

［1］郑小龙，黄胜，王超．基于CFD的螺旋桨定常水动力性能预报精度研究［J］．舰船科学技术，2014（12）：11－15．

［2］许辉，黄婧，张轮誉．CFD技术在螺旋桨敞水性能预报中的应用［J］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2013（5）：998－1002．

［3］崔立新．导管螺旋桨的水动力性能及噪声性能预报［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013．

［4］吕晓军，周其斗，纪刚，等．导管螺旋桨敞水性能的预报和比较［J］．海军工程大学学报，2010（1）：24－30．

［5］司朝善，姚惠之，张楠．艇体／导管螺旋桨干扰特性尺度效应数值模拟研究［J］．船舶力学，2014（11）：1312－1319．

［6］杨琼方，郭薇，王永生，等．螺旋桨水动力性能CFD预报中预处理的程式化实现［J］．船舶力学，2012（4）：375－382．