动网格研究导管螺旋桨变速旋转时的推力特性

张恩伟　吴家鸣　钟乐

摘要：导管螺旋桨作为一种高效率的推进装置，在水下各种工况下转速随时间而变化，而在螺旋桨变速转动的过程中，其周围的流场以及導管螺旋桨的推力特性也会随之变化。本文采用动网格与滑移网格混合技术，应用UDF对螺旋桨变速转动进行控制，对导管螺旋桨做变速转动时的推力特性进行模拟与分析，得到其运动过程的推力曲线变化情况。

关键词：导管螺旋桨；动网格；滑移网格；推力特性；变速转动

1.前言

导管螺旋桨是常见的螺旋桨推进器中的一种，它在负荷较重时，其效率比普通螺旋桨高，该类推进器尤其适用于渔船、拖轮、海洋工程工作船等多工况运行的水面船舶以及水下机器人等带缆遥控潜器作为其轨迹与姿态操纵的一种推进控制机构。导管螺旋桨与承载其运动的主体在水下进行作业时，由于海况等自然条件的限制，导管螺旋桨并非按照匀速变化的角速度进行旋转，因此研究螺旋桨变速转动时的推力特性对提高螺旋桨推进效率以及设计具有参考意义。

现阶段研究导管螺旋桨推力特性的过程中，利用最多的是相对运动的原理，设置不同的来流速度间接实现螺旋桨进速的变化。同时，在模拟导管螺旋桨敞水性能时，分别对不同转速不同进速下的推力特性进行研究，并没有研究转速线性变化的情况下导管螺旋桨产生的推力变化。文献利用数值方法研究了导管螺旋桨输入转速随时间变化情况下的水动力响应特性，对比了转速波动幅值和频率对响应特性的影响。但是，文中对导管螺旋桨进速的设定依然采用的为相对运动的原理，即采用改变来流速度间接实现导管螺旋桨进速的改变。

本文在参考文献动网格技术的基础下，对导管螺旋桨变速转动的推力特性进行研究，首先对导管螺旋桨进行模型构建，采用动网格动态层方法和滑移网格混合技术模拟导管螺旋桨的直线运动以及旋转运动，采用UDF函数中的DEFINE_TRANSIENT_PROFILE宏对导管螺旋桨转速进行控制。同时利用计算流体力学方法对计算域内求解N-S方程，进而计算得到导管螺旋桨的推力曲线。