基于CFD的斜流对螺旋桨性能影响探究

袁 帅，姬朋辉，刘成龙，姜 辉

(潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061)

对于拖船、拖网渔船等需要提供大拖力的船型，为满足拖力的需求，螺旋桨设计追求大直径，但受限于尾部框架，此类船舶传动轴系通常布置成倾斜形式，这就导致了螺旋桨处在斜流工作条件下。对于高速艇，因其总布置的要求，主机轴线往往向下倾斜，加上航行时艇体发生纵倾，导致此类船舶螺旋桨也处在斜流工作条件下。有研究表明，处于斜流工作中的螺旋桨其推力特性曲线、转矩特性曲线均发生不同程度的右移，导致斜流中螺旋桨敞水效率下降。若斜流角δ>6°，螺旋桨设计与计算就应当考虑斜流影响，当δ=8°～12°时,若仍按轴流工作中的桨来计算螺旋桨特性，其结果常常是不可靠的甚至是错误的[1]。另外，斜流工作中的螺旋桨还会发生沿着螺旋桨转动轴法线方向作用的横向力和在桨叶内作用的、其方向与盘面垂直的附加力矩矢量，其对船舶的操纵性及轴强度的设计都有影响[2]。因此斜流对螺旋桨性能的影响一直受到螺旋桨设计者的极大关注。鉴于模型试验存在尺度效应、试验周期长、经费高等众多的问题。本文使用先进的商用CFD软件STAR-CCM+对某螺旋桨推进性能进行模拟，并对不同斜流下结果进行分析总结，为在斜流工况下的螺旋桨设计提供参考。

1 研究对象及工况

本文研究对象为国际拖曳水池会议(ITTC)公开的标准螺旋桨 DTRC P4381，尺寸如表1所示，对此桨进行敞水性能的计算和分析，三维模型采用CAD软件CATIA创建。

表1 DTRC P4381 桨的主要参数

为了贴合螺旋桨实际工况，本文计算的斜流角δ为：0°、2°、4°、5°、6°、8°、10°，共7个工况。计算中保持螺旋桨转速为600 r/min不变，通过改变水流速度来改变进速系数，每个工况下设定进速系数J为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0共8个进速条件，共计56个计算工况点。

2 数值模拟方案

2.1 计算域设置及网格划分

在进行螺旋桨敞水性计算时，需要合理地设置计算域尺寸及边界条件。本文计算采用旋转参考系法(MRF)来模拟螺旋桨的旋转，整个计算域分为1个静止域和1个旋转域。静止域为圆柱体，其直径为5.0D(D为螺旋桨的直径)，入口距离原点3.0D，出口距离原点7.0D；旋转域同样为圆柱体，直径1.2D，前后端面距离桨盘面0.5D左右[3]，如图1所示。计算域采用切割体网格进行离散，由于旋转区域流场变化剧烈，需要适当减小网格尺寸，本次网格尺寸为0.012D，外部流体区域网格尺寸适当增加。桨叶表面网格尺寸为0.012D，并采用特征线加密方式对桨叶进行加密。加密区为与螺旋桨同轴的圆柱形区域。网格划分后，旋转域网格数量为151万个，静止域网格数量为54万个。

计算域入口设置为速度入口，速度值设为螺旋桨进速速度，出口设置为压力出口，螺旋桨表面设置为壁面，静止域的圆柱形表面设置为对称面，以减小壁面反射，旋转域的圆柱形壁面与静止域中的壁面设置为交界面以满足能量与质量的交换。

图1 流体计算域

2.2 数值计算方案验证

为了探究本文提出的数值计算方案的有效性和计算精度问题，计算常规螺旋桨P4381在进速系数J=0.3～1.0时的水动力性能，取数值计算结果中一个旋转周期内推力系数(Kt)与转矩系数(Kq)的平均值为数值计算值，η0为敞水数率。图2给出了敞水性能的试验值与计算值，可以看出CFD计算值与试验值吻合良好,变化趋势保持一致。计算的平均误差在5.6%左右，满足工程计算精度。因此，本文提出的数值模拟方案是有效可行的。

图2 P4381试验值与CFD计算值比较

3 计算结果比较与分析

为了详细研究斜流角度对螺旋桨水动力特性的影响，本文对56个计算工况点螺旋桨的敞水性能进行了比较分析。

3.1 推力系数、转矩系数计算结果

通过以上56个工况点的CFD计算及结果的汇总比较，本文考察不同斜流角度对螺旋桨推力系数、转矩系数以及敞水效率的影响。推力系数Kt、转矩系数Kq随斜流角的变化见图3、图4。斜流角为0°与5°、0°与10°时螺旋桨敞水性能比较见表2、表3。

通过CFD结果可以看到，斜流角的增大对螺旋桨敞水性能的影响明显；即使在同一斜流角下，在进速系数J不同的情况下，螺旋桨的水动力性能变化也不同。通过图3可以看到，斜流角在5°以内时，螺旋桨的推力变化很小，仅在斜流角为5°、进速系数为1.0时，推力系数Kt的减幅为5.3%，其余均在2%以内，因此对于斜流角在5°内，可以忽略斜流对螺旋桨性能的影响。在斜流角大于5°时，斜流对螺旋桨性能的影响开始凸显，当斜流角达到10°时，Kt最大降幅高达25.8%，降幅均值为10%左右，因此在螺旋桨设计与航速预报中非常有必要去考虑螺旋桨敞水性能的下降。

对于转矩系数Kq，其变化趋势与Kt非常相似，斜流角在5°以内时，Kq的改变量并不明显，几乎均在4%以内，随着斜流角的增大，Kq的变化幅度逐渐增大，当斜流角增加到10°时，Kq的最大增幅为16%，增幅均值为10%左右。因敞水效率η0是由Kt、Kq决定的，因此斜流角对η0的影响会更加明显。当斜流角为5°，敞水效率最大降幅在8.5%，降幅均值为4%左右，当斜流角为10°时，斜流对螺旋桨水动力性能的影响急剧上升，η0最大降幅高达36%，降幅均值也达到了16.5%。因此如果仍使用轴流下的螺旋桨水动力性能进行船机桨匹配计算，匹配出的结果非常不可靠甚至是错误的，这样会导致船舶无法达到设计工况，给用户造成经济损失。

图3 推力系数随斜流角的变化

图4 转矩系数随斜流角的变化

进速系数JKt变化幅度/%10Kq变化幅度/%η0变化幅度/%0.30.451-1.70.8150.20.264-1.90.40.410-1.20.7591.30.344-2.50.50.367-1.10.6982.20.418-3.20.60.322-0.90.6352.80.485-3.20.70.276-0.70.5683.60.542-3.60.80.229-0.40.4974.20.586-4.40.90.179-1.10.4204.20.609-5.31.00.125-5.30.3353.40.591-8.5

表3 斜流角为0°、10°螺旋桨敞水性能比较

3.2 横向力、横向力矩计算结果

螺旋桨工作在斜流中，除发生沿着螺旋桨转动轴线方向的推力，还会产生沿着螺旋桨转动轴线法线方向作用的横向力以及在桨叶内作用、其方向与盘面垂直的附加力矩矢量，从而对船舶的操纵性及船舶轴系强度产生影响。为此，本文分析了斜流对螺旋桨横向力、横向力矩的影响。

当螺旋桨处在轴流工作中时，螺旋桨左右压力分布相同，左右受力相互抵消，不会产生横向力及力矩，当螺旋桨处在斜流工作中时，螺旋桨左右受力均衡被打破，从而产生横向力。由图5、图6可以看出，螺旋桨产生的横向力、力矩均随着斜流角的增大逐渐变大。这里需要注意的是，在同一斜流角下，横向力系数KFy、力矩系数KMy随着进速系数J的增大逐渐变大，这与Kt、Kq的变化规律是相反的。基于这2方面的影响，在大斜流角、高进速条件下，横向力及力矩会增大到和螺旋桨的主要推力及力矩相当的大小，例如在斜流角10°、进速系数J=1.0时，螺旋桨轴向推力及转矩系数为Kt=0.098、Kq=0.037 6，而横向力及力矩系数则为KFy=0.128、KMy=0.052，超出轴向推力及转矩30%以上，此时轴承受的横向力会非常大，因此在计算船舶快速性、操纵性以及轴设计时必须考虑此因素。

4 技术要点

本文采用商用CFD软件对不同斜流角下螺旋桨的敞水性能进行了模拟计算，并对计算结果进行比较和分析后得出结论如下。

1)本文提出的数值计算方案其计算值与试验值平均误差在5.6%，最大误差在10%左右，满足工程精度的需要，数值计算方案是有效的。

图5 横向力系数KFy随斜流角度的变化

图6 横向力矩系数KMy随斜流角的变化

2)随着来流斜流角的增大，螺旋桨的推力系数Kt，敞水效率η0发生不同程度的下降，转矩系数Kq逐步增大。

3)当斜流角在5°以内时，斜流对螺旋桨敞水性能影响尚不明显，在螺旋桨设计及匹配计算中可以忽略这种影响，当来流斜流角在5°以上，螺旋桨敞水性能变化比较明显，在螺旋桨设计及船舶航速预报中要特别考虑。

4)当螺旋桨在斜流条件下工作时，在大斜流角、高进速条件下，螺旋桨会产生较大的横向力及力矩，对轴系强度及船舶操纵性产生不利影响，在船舶轴系设计中需要特别考虑。