应用光滑导边边界条件的螺旋桨敞水性能数值模拟

陈昆鹏， 吴梓鑫

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

应用光滑导边边界条件的螺旋桨敞水性能数值模拟

陈昆鹏， 吴梓鑫

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

计算基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)的某四叶螺旋桨的雷诺平均NS方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)敞水数值。为减小CFD数值模拟的误差，模拟边界层转捩现象，应用光滑导边边界条件替代商业软件的转捩模型。通过与试验值相对比，验证了应用光滑导边边界条件的螺旋桨推进系数KT，力矩系数KQ及敞水效率的模拟计算误差得到有效减小。

雷诺平均NS方程； 计算流体动力学； 敞水测试模拟； 光滑导边； 转捩

0 引 言

在螺旋桨雷诺平均NS方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes, RANS)敝水数值模拟计算中，常出现螺旋桨推进系数KT和力矩系数KQ与测试结果偏差较大的现象。BALTAZAR等[1]研究螺旋桨敞水RANS数值模拟计算方法，经过对比分析,螺旋桨数值计算KT及敞水效率ηo与试验值相比偏低，其趋势与螺旋桨的计算结果一致。

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)与敞水测试的一个区别是：在CFD计算中，螺旋桨在完全的湍流中；而在敞水试验中，螺旋桨导边会出现边界层转捩。当桨在伴流中工作时，其周围完全是充分发展的湍流;而在敞水测试中,由于没有伴流，可能会出现层流边界层。

ANIRBAN等[2]开展层流湍流转捩对敞开及导管桨的影响研究，并进行喷涂油漆的测试。测试中，由于摩擦阻力在层流边界层处较小，离心力处于主导地位，出现径向漆条纹，层流边界层被成功发现。

为简化该问题，尝试以光滑滑移壁面边界条件的导边替代商业软件复杂且未公开的转捩模型，并研究其对KT，KQ及敞水效率ηo的影响。

1 模型试验测试

以某四叶螺旋桨模型(见图1)为研究对象，在上海船舶运输科学研究所拖曳水池中进行模型试验。试验中，螺旋桨被安装在水平驱动轴上，并被浸入水下1.5倍螺旋桨模型直径D处，螺旋桨负载通过改变进速来调整，转速保持不变。每次测试记录转速和进速时一并记录螺旋桨的推力和扭矩。试验水温为22 ℃，转速为18 r/s。该螺旋桨模型的参数见表1。

参数数值螺旋桨模型直径D/m0.225桨叶数/片4盘面比0.4040.7半径螺距比0.806

根据试验测得的数据绘制模型试验的KT，KQ及敞水效率ηo，测试结果见图 2。

2 数值模拟

该研究开展螺旋桨全部表面为非滑移壁面的CFD数值模拟和应用光滑导边边界条件的CFD数值模拟共2种CFD数值模拟，其中后者根据文献[2]中提供的照片将导边设置为光滑导边。RANS模拟应用k-ωSST湍流模型，该模拟包含质量守恒和动量守恒2个控制方程，将湍流速度转换为1个平均速度和1个脉动速度。文献[3],k-ω与 Reynolds 应力模型的结果有较好的相关性。k-ωSST 模型MENTER[4]是数值模拟计算的通常选择。

计算域为圆柱，应用滑移网格与界面。内部计算域旋转，外部计算域静止。图3中内部圆柱即内部计算域。外部计算域的边界条件为：速度入口，对称，压力出口,计算为定常计算。

计算域直径>17D，见图4。计算应用非结构网格，内部计算域为四面体,外部计算域为切割体(见图5)。图6中的高亮区域根据文献[2]中的试验结果设置为光滑的区域。

螺旋桨完全处于湍流中的计算结果见图7。CFD计算的扭矩大于试验值，CFD计算的敞水效率和推力则相对偏小。计算值的变化趋势与试验值一致。螺旋桨导边设置为滑移壁面的计算结果见图8和图9。该计算呈现出相同的误差趋势，敞水效率低于试验值，但光滑导边使得误差降低。图10为不同条件CFD计算的敞水效率误差对比，最大误差由6.1%降低为4.1%。

4 结 语

采用光滑滑移壁面边界条件的导边替代商业软件未公开的湍流抑制和转捩边界距离函数进行螺旋桨敞水性能数值模拟。试验结果表明，该简化方式降低了被测四叶螺旋桨的CFD计算结果与试验值之间的误差，使得精度进一步提高。

[1] BALTAZAR J M, RIJPKEMA D R, FALCAO DE CAMPOS J A. Numerical Studies for Verification and Validation of Open-Water Propeller RANS Computations[C]. VI International Conference on Computational Methods in Marine Engineering, 2015:874-885.

[2] ANIRBAN B, JAN C N, SVERRE S, et al. Influence of Flow Transition on Open and Ducted Propeller Characteristics[C]. Fourth International Symposium on Marine Propulsors, Texas, 2015.

[3] CARTON J S. Marine Propellers and Propulsion[M]. 3rd ed. Oxford:Elsevier Ltd，2012.

[4] MENTER F R. Two-Equation Eddy Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications[J]. AIAA Journal, 2012,32(8): 1598-1605.

[5] 王福军.计算流体动力学分析:CFD软件原理与应用[M]. 北京：清华大学出版社, 2004.

Numerical Simulation of Propeller Open Water Test With Assumption of Smooth Leading Edge Boundary Condition

CHENKunpeng,WUZixin

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

RANS CFD simulations of a 4 blade propeller open water test are carried out. To reduce the error of CFD numerical simulations, the boundary layer is assumed smooth leading edge transition instead of the transition functions normally suggests by commercial software. The comparison between the simulation results and the experimental values indicates improvement in accuracy of eficiency,KTandKQ.

RANS; CFD; open water test simulation; smooth leading edge; transition

2016-08-30

陈昆鹏(1990—)，男，黑龙江哈尔滨人，研究实习员，硕士，主要从事船舶快速性与水动力相关专业研究。

1674-5949(2017)01-0016-04

U664.33

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