基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报_王超

基于CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报
王　超,黄　胜,解学参
(哈尔滨工程大学船舶工程学院,哈尔滨150001)
摘　要:运用计算流体力学软件对粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了某型螺旋桨
在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨后尾流场情况等。

在数学建模的
过程中,利用F O RT RA N 语言编制了计算螺旋桨型值点的程序,然后把计算值导入Fluent 的前处理器Gam -
bit 进行建模,并采用样条曲线去拟合各个型值点,从而建立了光滑的三维螺旋桨表面外形。

介绍了利用
Fluent 软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程,以某一标准螺旋桨作为研究对象,给出了敞水性能曲线的
计算结果,并与试验测量值作了比较。

由对结果的比较分析可知,基于CF D 方法可以形象、真实地获知螺旋
桨表面的压力以及尾部流场的分布情况,并且数值仿真结果可以满足工程应用。

关键词:螺旋桨;水动力性能;Fluent ;粘性流场;数值模拟
中图分类号:U 664.3 文献标志码:A 文章编号:1009-3486(2008)04-0107-06
Hydrodynamic performance prediction of some propeller based on CFD
WANG Chao ,H UANG Sheng ,XIE Xue -shen
(Co lleg e of Shipbuilding Engineering ,H arbin Engineering Univ .,H arbin 150001,China )
A bstract :CFD so ftw are w as used to calculate the performance of propeller in the viscous flow regio ns and sim ulate the th rust and to rque coefficients ,the pressure and velocity distributions o f propeller ′s w ake flow at diffe rent advance coefficients .The points of propelle r w ere calculated by FO RT RAN pro gram ,w hich w ere used to set up geo metry in Gambit .Also the m ethod of NU RBS w as used to create the configuration of propelle r .The pro cess o f using Fluent to calculate the open w ater perfor -mance of propeller w as introduced .The computed results w ere co mpared with the expe rimental data .At the same time ,som e numerical survey of propelle r ′s perform ance condition w as also introduced .Key words :propeller ;hy dro dy namic perform ance ;Fluent ;viscous flo w ;numerical simulation
近年来,随着计算机技术的推广普及和计算方法的不断发展,计算流体力学(CFD )技术取得了蓬勃的发展。

由于数值模拟相对于实验研究有很独特的优点,比如成本低、周期短,能获得完整的数据,能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态,目前CFD 技术在工程领域已得到了广泛的应用。

与物理模型的试验研究相比,数值计算的特点是适应性强、应用面广。

首先,一般流动问题其控制方程均为非线性的,自变量多,计算域的几何形状任意,边界条件复杂,对这些无法求得解析解的问题,用数值解则能很好地满足工程的需要。

其次,可以利用计算机进行各种数值实验,通过不同参数的选取对计算结果进行改进。

文中采用CFD 软件对敞水螺旋桨的水动力性能进行了数值模拟,通过数值模拟得出各种不同进速系数下桨叶的敞水(即不计船舶尾流影响)性能曲线;将计算结果与试验测量值作了比较,并对结果进行了分析。

同时,数值模拟也显示出了螺旋桨桨叶上及流道内的速度、压力和流线等分布情况。

　第20卷　第4期　2008年8月 海军工程大学学报　JO U RN A L O F NA V A L U NI VERSI T Y O F ENG IN EERIN G Vo l .20　N o .4　A ug .2008　
＊收稿日期:2008-02-04;修回日期:2008-03-20。

作者简介:王　超(1982-),男,博士生,主要研究方向为船舶推进与节能技术,E -mail :zhitao0213@sina .co m 。

1　控制方程与湍流模型
1.1　控制方程
文中模拟了均匀来流中保持一定转速的螺旋桨周围的粘性流场。

根据相对运动原理,可视作螺旋桨模型在轴向静止,而水以速度U 从远方相对于桨模匀速流动;在周向假定水域旋转,而螺旋桨保持相对旋转速度为0。

假定流体是不可压的,则流场的连续方程和动量方程分别为[1]
u i x i
=0;(1)ρ (u i u j ) x j =- P x j +ρg i +ρ x j [μ( u i x j + u j x i )-u ′i u ′j ]。

(2)
式中:u i ,u j 为速度分量时均值(i ,j =1,2,3);P 为压力时均值;ρ为流体密度;μ为流体粘性系数;g i 为重力加速度分量;-ρu ′i u ′j 为雷诺应力项。

方程中的雷诺应力项属于新的未知量,因此要使方程封闭,必须对该应力项作某种假设,即建立应力的表达式(或引进新的湍流模型方程[1]),通过表达式或湍流模型,把应力项中的脉动值与时均值联系起来。

1.2　湍流模型的选取
就目前湍流研究进展来看,湍流的内在机理还没有真正被人们所了解,迄今尚未认定一种解决湍流问题的最佳方法[2],而且目前关于螺旋桨粘性绕流场数值计算方面的可供参考文献较少,文中选取理论上发展较为完善,在工程上广泛运用的k -ε二方程湍流模型来封闭RANS 方程。

k -ε二方程模型考虑了紊动速度比尺的输运,也考虑了紊动长度比尺的输运,因而能确定各种复杂水流的长度比尺分布。

同时,k -ε模型基本形式比较简单,实际应用性很广,能成功地预测许多剪切层型水流和回流。

湍流模型的方程[2]如下:
湍动能k 方程为
ρDk Dt = x i [(μ+μt σk ) k x i
]+G k +G b -ρε-Y M ;(3) 湍动耗散率ε方程为
ρD εD t = x i [(μ+μt σk ) ε x i ]+C 1εεk (G k +G 3εG b )-C 2ερε2k 。

(4)
式中:G k 为由于平均速度梯度引起的湍动能产生;G b 为用于浮力影响引起的湍动能产生;Y M 为可压速
湍流脉动膨胀对总的耗散率的影响。

湍流粘性系数μt =ρC μk 2ε。

2　数值计算过程
2.1　螺旋桨模型的建立
计算所选用的是DTM B P4119螺旋桨,其尺寸如表1所示,数据取自文献[3]。

表1　DTMB P4119螺旋桨的几何参数
Tab .1　Dimensions of DTMB P4119propeller 参数
数值直径/m
0.3048叶数
3螺距比(0.7r )
1.084毂径比0.2参数数值纵倾角/(°)0侧斜角(°)0叶剖面NAC A66m od
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图1　螺旋桨三维图
Fig .
1　T hr ee dimension chart of pr ope lle r 文中采用FO RT RAN 编制程序,计算出螺旋桨叶面、叶背各个半径
处以及桨毂上的型值点,将原始的型值点数据转换为特定的格式数据,然
后输入到与Fluent 软件配套的前处理器Gam bit 软件,进行实体几何建
模。

基于由二维转换为三维的需要,需对型值表进行补充,对桨叶叶根及
叶梢处进行插值修正。

在Gam bit 中采用样条曲线去拟合各个截面上的
型值点,从而建立光滑的三维螺旋桨表面外形。

建模时先将点生成线,线
生成面,面生成体,在合成体前必须保证桨的表面是封闭的,否则将无法
将面合成体。

在建模过程中使用的是直角坐标系O -X YZ ,X 轴方向代表来流方向,它沿着螺旋桨的旋转轴指向下游,Y 轴与螺旋桨的某一桨叶的叶面参考线一致,Z 轴服从右手定则。

建好的螺旋桨的三维模型如图1
所示。

2.2　计算域的建立
该文研究的是在稳态条件下螺旋桨的水动力性能,因此需要把模型置于流场域中。

计算域的内边界取在桨毂和叶片表面上,其中桨毂中间简化为圆柱面、两端简化为椭球面;外边界面即外流计算的无穷远边界,取在直径约为螺旋桨直径5倍的圆柱体表面上。

为了计算的需要,又把整个大域分成几个小域,这样便于在划分网格时进行局部加密,提高计算结果的准确度。

3　
网格的划分以及边界条件设定
图2　螺旋桨桨叶与桨毂网格划分Fig .2　G rid divisio n o f blade a nd hub 3.1　网格的划分
网格划分是CFD 模拟过程中最为耗时的环节,也是直接影响模
拟精度和效率的关键因素之一。

网格过疏或过密都会极大地影响计
算结果。

网格过疏往往会得到不精确甚至完全错误的结果;网格过
密又会使计算量增大,使计算难以收敛。

文中在划分网格时使用了
局部加密的方法,对于桨叶与桨毂连接处以及叶梢部分等进行加密,
以便捕捉到重要的流场信息;而对于出口段的网格,将其密度适当降低,便于控制总网格数。

这样,在网格模型总节点数一定的情况下可以提高计算精度,还可以避免流场变化平缓区域的计算资源浪费。

螺旋桨表面网格划分如图2所示。

3.2　边界条件的设置
在螺旋桨的敞水计算中,整个计算区域均相对某个参考坐标系作旋转运动,而螺旋桨周围不存在相互干扰的物体,因此可选用Fluent 软件提供的运动参考坐标系模型(即M RF 模型)。

在进口边界处设置为速度进口条件,给定均匀来流的各速度分量;由于流动出口的速度和压力在解决流动问题之前是未知时,出口边界定义为质量出口边界;圆柱体表面设为壁面;壁面设为无滑移固壁条件,在近壁区采用标准壁面函数并考虑壁面粗糙度的影响[3]。

计算域内的流体则按M RF 模型,设置为绕轴以角速度n 旋转。

4　数值计算结果
4.1　敞水性能曲线计算结果及与试验的对比
进速系数分别取为0.500,0.700,0.833,0.900,1.100,螺旋桨转速为一定值(600r /min ),进速系数·109·　第4期　王　超等:基于CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报
的变化通过改变来流流速大小来实现。

通过Fluent 模拟计算,得出不同进速系数J 情况下的螺旋桨推力与扭矩,进而求出桨的推力系数K T 、转矩系数K Q 以及敞水效率η。

表2列出了在不同进速系数时的螺旋桨推力与扭矩。

把通过公式转换求得的特性曲线结果与试验值[2]一起绘制成图3。

表2　计算结果
Tab .2　Results of calculation
J
T /N Q /N ·m 0.500
259.272613.0800.700
185.57539.9930.833
134.07607.7990.900
107.43836.5971.10029.39002.979
图3　螺旋桨的敞水性能曲线F ig .3　Curv es o f propeller ′s o pen w ater perfo rmance
由图3中可以清晰地看出不同进速系数下,螺旋桨水
动力性能的计算值与试验值的差距。

在进速系数分别为0.
500,0.700,0.833,0.900,1.100时,由计算结果与试验值可
以求出K T 、K Q 、η的平均误差分别为-2.8%,2.4%,2%。

计算所得的K T 曲线与K Q 曲线普遍都比试验值高,这应该
是由于空泡的存在所导致。

在试验中,吸引力面上低于饱
和压力的区域出现了空泡,空泡区的压力保持为饱和蒸汽
压力;而数值模拟时,由于未使用特定的空化模型,所以在
吸力面上相应区域压力可随流速增大而继续下降,从而使
压力面与吸力面的压差大于试验时所测得的值,导致模拟
得到的K T 与K Q 值存在一定的误差。

总的来说,在考察的进速系数范围内(0.5～1.1),敞水
效率曲线的计算结果与试验结果吻合得较好,在J =0.833
处吻合得最理想。

推力系数K T 、扭矩系数K Q 以及敞水效
率η的计算结果与试验结果基本相一致,只是在斜率上稍有偏差;而敞水效率η在0.500≤J ≤0.833的情况下两者基本重合,J 超过0.833后差距逐渐变大。

4.2　对桨叶表面上的压强云图的考察
螺旋桨的推力和扭矩是螺旋桨的宏观受力,如果要更细致地研究流体中螺旋桨的受力情况,需要对螺旋桨表面任意点的受力进行研究。

现以螺旋桨在进速系数J =0.833时的工况为例,对桨叶表面的流动情况进行分析。

图4显示了沿桨叶叶面与叶背的径向压力分布。

在压力面(叶片推水的一面)上,从叶根到叶梢,压力不断增加,在0.7r 左右达到最大,然后逐渐减小,在叶梢处达到最小值。

而且,可以明显地看出压力由随边向导边逐渐增大,在导边处达到最大。

在吸力面(相对于升力面的桨叶另一面),压力分布的主要特点是中间相当一部分压力较小,导边与随边处相对较大。

如不考虑其他桨叶的影响,在吸力面上,压强分布应该是由导边向随边逐渐减小的过程,但实际中由于相邻桨叶间的相互干扰作用,而使此桨叶的吸力面的受力情况发生变化。

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图4　螺旋桨叶面压力等值图
Fig .4　Conto ur of pressure for propeller
螺旋桨在一定的工作条件下,叶片的不同部位将发生空化,最明显的涡空化是叶梢涡与桨毂涡。

一般情况吸力面压力较低,很容易发生空泡现象,当推力很小或为负值时,叶面空化可能出现在叶片的压力面上。

空泡的产生和发展情况非常复杂,如计算必须用非定常计算方法才能模拟,而且对网格精度要求很高[4]。

由于文中是对定常条件下螺旋桨的水动力性能的数值模拟,因此只能根据压力分布初步分析空泡可能出现的区域。

一般认为发生空化的压力临界值即为该温度时水的汽化压力P V (或称饱和蒸汽压力),由相关资料[5]可以查到海水在10℃的饱和蒸汽压力约为1227Pa ,由此饱和蒸汽压力等值线开始往导边的区域易发生空泡现象,一般最先在叶梢处产生,然后由导边逐渐向随边发展。

图5给出了在进速系数J =0.833时螺旋桨桨叶的吸力面与压力面的压力分布图。

由图可以清晰地看出在压力面上由此饱和蒸汽压力等值线开始到导边的区域(靠近桨毂)以及叶梢处出现了空泡现象;而在吸力面的中部以及叶梢处比较容易出现空泡。

图5　桨叶面空泡区的显示
F ig .5　Cav itation pressure a rea of pro peller ′s blade
4.3　螺旋桨尾流考察
计算螺旋桨水动力性能的传统理论预报方法,如升力线、升力面以及面元法,在考虑螺旋桨尾流中的自由涡线形状时,一般认为桨的径向诱导速度是个小量,而忽略自由涡线的径向收缩使计算问题得以·
111·　第4期　王　超等:基于CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报
简化。

在使用CFD 数值计算时,比较真实地模拟了螺旋桨所处的流场,图6所示为进速系数J 分别为0.500、0.833、1.100时螺旋桨表面的流线形状及其在随边处汇合形成的泄出涡形状。

可见,螺旋桨尾流的外直径小于螺旋桨直径,尾流的外直径随J 上升而不断增大,在文献[3]采用PIV 测量四叶侧斜桨尾流,也揭示了相同的情况。

由图6可以明显地看出,当J =0.5时,尾流的外直径明显小于螺旋桨的直径,反映了重载荷时的螺旋桨对流体作较强的抽吸。

图6　不同进速系数时的螺旋桨尾流
Fig .6　P ropeller w ake in differ ent advance co efficient
5　结　论
1)采用CFD 软件计算了粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能,得出了在不同进速系数下P4119型螺旋桨的推力系数、转矩系数及敞水效率,计算结果与试验偏差都不超过4%。

因此,目前在螺旋桨敞水性能计算中,采用CFD 软件进行的数值模拟结果可以满足工程应用的要求。

2)对螺旋桨桨叶表面压力分布进行了考察与分析,得出:桨叶压力面上的压力由叶根至叶梢不断增加,在0.7r 左右达到最大,然后逐渐减小,在叶梢处达到最小值。

而且,可以看出压力由随边向导边逐渐增大,在导边处达到最大。

在吸力面,压力分布的主要特点是中间相当一部分压力较小,导边与随边处相对较大。

3)在螺旋桨模型计算的结果中,可以清晰地观察到桨叶及叶片间的压强分布,能对流动有直观的了解。

同时,也可以观察到螺旋桨尾流随进速系数的改变而产生的变化情况。

因而,CFD 数值计算可以作为一种技术和手段应用于各种基础课题的研究。

4)该文初步探讨了采用Fluent 软件计算某型螺旋桨水动力性能的计算过程,对计算结果的分析尚浅显,模型的建立以及计算参数的设定还有值得改进的地方,在今后的工作中将在存在问题的地方加以改善。

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