深潜器等厚导管螺旋桨敞水性能计算分析_刘可峰

SHIP ENGINEERING 船舶工程Vol.36 No.1 2014 总第36卷，2014年第1期深潜器等厚导管螺旋桨敞水性能计算分析

刘可峰1, 2，姚宝恒1，连琏1

（1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2．江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003）

摘 要：利用三维设计软件系统SolidWorks对No.37+Ka4-70导管螺旋桨进行了三维实体建模，并对某深潜器使用的No.37导管外形进行了等厚处理。利用计算流体力学软件Fluent对两组导管螺旋桨模型进行了敞水数值模拟，得到了导管螺旋桨的推力，扭矩及其效率，并与图谱数据对比，证明了数值方法的有效性。比较数据分析了No.37导管等厚变化对ROV推进性能的影响，总结了No.37+Ka4-70等厚导管螺旋桨的优缺点。

关键词：深潜器；导管螺旋桨；等厚导管；敞水性能；Fluent

中图分类号：U664.34 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2014) 01-0037-04

Calculation and Analysis of Open Water Performance for Submersibles Identical Thickness Ducted Propellers

LIU Ke-feng1, 2, Y AO Bao-heng1, LIAN Lian1

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao

Tong University, Shanghai 200240, China; 2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang city 212003, Jiangsu province, China)

Abstract: The duct outline of ducted propeller No.37+Ka4-70 was altered for submersibles after building its 3D model with the 3D CAD software system SolidWorks in the article, their open water hydrodynamics feature was simulated and analyzed by using Fluent software. When comparing with the propeller chart, it shows that the numerical method is effective. The thrust force, torque, related coefficient and efficiency were compared.

Through calculation and analyses, the advantages and disadvantages of identical thickness ducted propeller No.37+Ka4-70 were summarized.

Key words: submersible; ducted propeller; identical thickness duct; open water performance; Fluent

拖网渔船和拖轮等船舶在重载工况作业时，由于其螺旋桨载荷较重，若采用传统螺旋桨，往往效率较低，导管螺旋桨由于其在重载工况下的良好性能而在这类船舶上得到了大量的应用。导管螺旋桨是一种特种推进器，在20世纪30年代就开始了工程应用，它在普通螺旋桨的外围装上了一个套筒，其剖面形状一般为机翼型或是折角型，导管与其中的螺旋桨形成了一个整体工作，这时的流场与没有导管时将发生较大的变化。按照内部流场的变化情况，导管可以分为加速型导管和减速型导管。对于加速型导管，首先可以使螺旋桨盘面处的水流加速，使螺旋桨工作在较大的速度场，从而可以提高螺旋桨的效率。其次，由于导管出口处的面积逐渐扩大，尾流的收缩变小，使轴向诱导速度减小，也有助于提高螺旋桨的效率。最后，由于叶梢和导管的间隙很小，由叶面和叶背的压力差引起的绕流大大减小，其能量损失也就减小。正是由于这些原因，加速导管螺旋桨具有重载效率高，推力大等特点，对于功率系数B p较高的使用场合，采用它能达到较高的效率[1]。深潜器对系泊推力有较高的要求，其推力计算一般就设定在系泊工况下进行，功率系数B p往往很大，故深潜器选用加速导管螺旋桨能获得较好的推进性能。

国外发表的导管螺旋桨系列试验资料中，以荷兰船模试验池的No.19A+Ka和No.37+Ka系列导管螺旋

收稿日期：2013-07-09；修回日期：2013-09-15

基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2008AA092301-1）

作者简介：刘可峰（1978-），男，讲师。主要研究方向为船舶设计，潜器操纵与控制和水动力学应用。

DOI:10.13788/ki.cbgc.2014.0010

船舶机械

桨最为著名，其结果都已绘制成B p-δ型设计图谱可供应用。国内对导管螺旋桨的研究也有很大深度，中国船舶科学研究中心通过敞水试验研究了导管各种几何参数对导管桨性能的影响，并推荐了性能优良的导管螺旋桨系列。上海交通大学船舶流体力学研究室根据使用单位的要求简化导管的加工工艺，在系列研究基础上推荐了2组简易导管螺旋桨系列，即JD75+Ka 系列和JD7704+Ka系列导管螺旋桨，由于其加工方便，而性能又与机翼型导管接近，所以在国内得到了很多的应用。深潜器上应用的铝合金导管螺旋桨，由于加工和布置的要求，常将导管外轮廓等厚变化，本文研究了一种深潜器上使用的新颖No.37+Ka4-70等厚导管螺旋桨，导管的外轮廓等厚变化成弧形，与普通No.37导管的直线外形有较大变化，其推进性能相比原有的图谱资料将有一定的变化，缺少相应的研究。

随着计算机性能的提高以及CFD计算方法的发展，利用计算机求解工程流体问题成本低、周期短、结果数据完整等优点逐渐显现出来，越来越多地应用于工程实践中，计算流体力学软件Fluent可广泛用于水流、气流、热流、化学反应、混合流，以及固液混合反应的分析，并有多种图文并茂的结果输出[2]。舒崚峰[3]等利用Fluent软件模拟螺旋桨的敞水性能并进行了桨叶翼型的改造，Fangwen Hong[4]等利用Fluent 软件分析了桨叶的环流分布，范露[5]和E.A.de Barros[6]对导管进行了数值模拟分析，但是导管螺旋桨的数值模拟研究还比较少，导管螺旋桨流场相比普通螺旋桨也更加复杂。

本文针对深潜器所选用的导管等厚变化的特殊导管螺旋桨，以及CFD方法在导管螺旋桨领域还没有得到广泛应用这些情况，利用Fluent软件对导管螺旋桨流场进行数值模拟，计算分析了No.37导管等厚变化前后的导管螺旋桨敞水性能。利用普通No.37+Ka4-70导管桨CFD模拟数值和图谱数据的对比，验证本文CFD计算方法的有效性。通过两组模型数据的对比，分析No.37导管等厚变化前后的性能变化，为深潜器设计选用等厚导管螺旋桨提供了参考依据。

1 导管螺旋桨的数值模拟

1.1 实体模型的建立

由于深潜器航行特点，所用导管螺旋桨处于特重负荷工况下，一般较长的导管具有较高的推进效率，但是在某些场合长导管不利于布置，故研究选用较短的No.37导管。设定普通的No.37导管为1号模型导管，并通过对No.37导管外侧进行等壁厚减薄变化，建立深潜器上使用的2号模型导管，其外表面为一内凹曲面，除了外侧形状不同，两种导管其他尺寸和基本参数都相同，如图1所示。具体导管螺旋桨参数参考某中型海底作业机器人配置为：No.37+Ka4-70导管螺旋桨，直径D=0.235m，螺距比P/D=1.1，设计转速N s=1600r/min。首先将螺旋桨图纸中伸张轮廓的坐标点换算成空间点数据[7]，再将各翼型截面上点的数据导入到三维设计软件SolidWorks中，利用SolidWorks 进行造型得到螺旋桨叶片，再输入导管截面上点的数据生成导管实体，从而得到完整的导管螺旋桨实体，建好的两组导管螺旋桨三维模型如图2所示。

图1 等厚变化前后的No.37导管剖面图

图2 导管螺旋桨等厚变化前后的三维模型

1.2 计算流域和网格划分

将导管螺旋桨模型置于相应流场中，整个计算流场取为一个圆柱体，考虑到计算机的计算能力和计算模型的可靠性，本文取计算流场圆柱体直径为导管外径6倍，取入流部分长度为3倍螺旋桨直径，出流长度为5倍螺旋桨直径。为了计算的需要，又把整个域分为中间包围导管桨的小域和周围的大域，这样便于在划分网格时对中间部分加密，提高计算结果准确度。

计算结果精度与网格划分的精度密切相关，网格划分过疏或过密都会对计算结果起到不利影响。本文在网格划分时对中间小域V1部分加密，由于导管螺旋桨模型复杂，采用混合网格从导管螺旋桨表面逐步向中间小域外围过渡，对于进出口以及周围的大域适当的逐渐降低网格密度并采用结构网格。这样既可以减轻计算机的计算量，同时也能得到较为精确地结果，提高计算效率。网格划分效果如图3所示。

图3 网格划分图

(a) #1模型(b) #2模型

(a)

变化前(b) 变化后

(a) 小域内导

管螺旋桨面

(b) 整体