网格变形控制技术在带前置定子导管桨水动力优化设计中的应用

刘 敏，张 宁，高同兵，闫学琳，陈小宁

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

网格变形控制技术在带前置定子导管桨水动力优化设计中的应用

刘 敏，张 宁，高同兵，闫学琳，陈小宁

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

应用网格变形控制技术，对带前置定子导管桨进行了转动叶片水动力外形的优化设计研究，优化方案的敞水效率较原始方案提高了2%，并能显著减弱叶梢流动的分离现象。优化结果表明，基于网格变形控制技术的网格重构方法能在保证网格相似性的条件下，解决多方案网格自动生成的难题，便于进行组合式推进器的水动力性能优化设计。

网格变形控制技术;带前置定子导管桨;水动力优化设计

0 引言

在过去的20年里，气动优化设计(ADO)已经成为计算流体力学应用方面的一个重要研究领域。进行优化设计时，需要对各方案进行设计结果的预估评价，其中CFD技术在流体性能优化方面得到了广泛应用。然而，在对样本进行采样分析时，相应的网格自动化生成技术仍是目前的研究难点。网格生成不仅需要较大的计算资源和较长的运算时间，而且对参数变化范围较大的样本，极易失败，从而导致样本的缺失。或是生成的网格质量较差，得到误差较大的结果，使得优化失败。目前，进行性能优化的网格生成方法主要有面元法、网格模板和非结构化网格3种。但这些方法均存在一定的局限性。如赵威［1］等采用面元法进行螺旋桨性能优化，避免了流域自动网格生成的难题，但针对泵喷推进器这样的复杂结构，其适用性需要进一步研讨。Andrea［2］等采用CFD分析和优化技术对高升力涡轮叶栅进行了性能优化，其中网格重构采用网格模版的方法生成。对于几何相似的样本，可以采用网格模板的方法生成网格。然而对相似性较小的样本，该方法容易生成带负体积的计算网格，从而使得CFD模拟无法进行。另外，ICEM-CFD针对结构化网格提供了重复利用块文件的网格生成方法，但因为需要指定拓扑对应关系而在自动网格生成方面存在不足。目前，由于非结构化网格对边界的适应性强，而被广泛用于 CFD优化。刘艳［3］等在NACA0012翼型非结构化网格的基础上，采用动弹网格技术生成翼型样本网格。但该方法无法保证各样本的网格相似性，特别是边界层网格的生成。

本文基于网格变形控制技术进行了网格重构，由1套基本网格生成各方案相应的变形网格，可以保证各方案网格的相似性，解决了多方案设计中网格自动化生成的难题，便于进行设计优化。本文以文献［4］中提供的带定子导管桨为研究对象，首先对其水动力性能进行CFD计算，验证所采用网格及模拟方法的可行性;然后将叶片沿其积叠线进行扭转，给定扭角范围为－8°～8°并随机生成样本;再根据给定的扭角自动生成相应网格并进行CFD性能计算;最后通过比较不同扭角下桨的水动力性能，得到2°扭角下效率提高2%的优化方案。该方案叶梢附近流场分析表明，叶梢的流动分离得到了较好的控制。

1 计算模型及数值模拟方法

文献［4］给出了带定子导管桨外形几何尺寸及转子主要几何参数，并对其水动力性能进行了实验研究。其中，转子和定子叶数分别为4叶和9叶，其三维几何外形如图1所示。计算域采用单流道﹑结构化网格进行划分，叶片表面﹑叶顶及轮毂附近进行网格加密处理。其中，叶片表面添加边界层网格，网格总量约110万，如图2所示。采用Fluent软件求解Navier-Stokes方程，计算区域划分为动、静2个域，采用MRF方法建模，转/静交界面采用Mixing-Plane模型进行定常模拟，得到转子叶片的推力和扭矩，并计算得到其敞水效率。

图1 带定子导管桨正视图Fig.1 Display+Z view of ducted propeller

图2 导管桨单流道CFD网格Fig.2 Single flow passage mesh

2 网格变形控制技术

采用4×4×4控制点控制转子区域网格，其中叶片流域进口﹑出口﹑周期性边界上控制点设置为固定控制点，移动控制点设置为围绕叶片的2×2×4个控制点，如图3所示。采用样条曲线连接控制点，保证控制曲线的光滑，当控制点移动时，空间样条曲线拟和控制点，整体网格依次移动，保证了整体网格的光滑过渡。沿轮盖表面移动叶顶的4个控制点，可以实现叶片的前弯及后弯，如图4和图5所示。沿周向移动围绕叶片的网格控制点，可以实现叶片的扭转，如图6所示。本文采用的网格变形控制技术基于空间网格进行直接变形，保证了叶片表面网格的光顺及整体网格质量，并可以保证变形网格与原始网格拥有相同的网格数量及拓扑关系，从而确保了各方案网格的相似性。

3 性能计算及分析

本文对J=0.4﹑0.6﹑0.8﹑1.0等4个工况进行了CFD计算，并与实验数据进行了对比，如图7所示。从图中可以看到，推力系数与实验结果吻合较好，表明本文所采用模拟方法的正确性。扭矩系数在高进速条件下误差控制在4.5%以内，满足工程要求。

图8所示为转子叶片附近流线图。区域1所示为叶顶分离流，区域2所示为转子轮毂附近尾迹区域流线。在区域1位置，存在明显的叶顶分离流动。流线在叶片迎流边附近即发生流动脱离。在区域2位置，存在部分低速流体的明显堆积，轮毂附近流线从压力面回流到叶片吸力面，与吸力面流体发生掺混，形成1个回流漩涡区再流到下游。图9和图10分别为转子叶片吸力面与压力面表面静压分布等值线图。在转子叶片导边附近，吸力面上存在1个明显的高压区，而压力面上存在1个低压区，这对桨推力带来不利影响，直接影响其效率。

图9 转子叶片吸力面静压分布等值线Fig.9 Pressure contour of blade suction

图10 转子叶片压力面静压分布等值线Fig.10 Pressure contour of blade pressure

4 设计优化及分析

在造型设计过程中，影响三维叶片造型的参数可分为气动参数(如相对气流角﹑气流脱轨角等)和几何参数(如叶片的弯﹑掠﹑扭﹑叶截面中弧线拱度，厚度分布等)，所涉及的参数较多。在给定导管桨外形的条件下，针对叶片进行性能优化时，目前研究大多针对其中比较重要的参数进行优化，如Ahn C S［5］等通过优化积叠轴，调整叶片的弯掠特性来提高压气机性能。在对截面进行参数化优化时，由于各截面之间的参数较多，约束关系难以给定，容易造成造型失败，如在某个截面出现零厚度等非物理解。因此，部分研究使用自由曲面函数(如NURBS函数等)直接进行三维空间曲面造型并进行优化。袁新［6］采用NURBS曲面对轴流压气机叶片进行直接几何造型，并集成CFD软件进行优化设计，完成了多级轴流压气机的优化设计。

通过对图8～图10中转子叶片流线及静压结果的分析可知，为了提高转子水动力性能，并减少叶片流动分离和堆积，可通过改变叶片安装角(扭)及轮毂附近叶截面拱度来实现。这样极大地减少了优化参数，便于进行优化。

本文主要采用改变叶片扭角进行优化。将叶型离散为4个叶截面(如图3所示)，通过改变叶片控制点周向位置改变叶片扭角，相应的网格采用控制网格变形技术实现。图11给出了叶顶部截面在不同扭角下叶形坐标对比。扭角变化范围为－8°～8°，以30%弦长处为叶片积叠线即叶截面旋转中心，以不同扭角随机生成样本，采用CFD模拟得到其水动力性能。计算所采用的进速系数为0.6，即设计进速点。本文给出了20个随机样本的计算结果，其水动力性能点随扭角的变化曲线如图12所示。可见随着扭角的增加推力系数降低，同时扭矩系数也降低。效率曲线随扭角在2.2°附近达到最大后随即降低，其值相比于原型(0°)增加2.4%。在－2°～2°扭角之间，曲线变化平缓，偏离该范围后效率曲线梯度较大。

图13所示为扭角分别为－6°，2°和6°三种情况下叶顶附近流线。在扭角为－6°时，流线在叶片吸力面发生明显分离，主要是因为来流攻角过大，导致叶顶附近流动恶化;当扭角为2°时，在设计工况点流线未见分离，流动较理想;在扭角为6°时，流动在压力面发生分离，并生成较明显的旋涡。根据机翼理论，当扭角过大或过小时，流动均在叶顶叶片表面发生明显分离，所选取的攻角不合理将导致性能下降。综合图12和图13的分析结果，尽管在扭角为2.2°附近效率曲线取得最大值，但考虑到工况偏移后将导致攻角变化，而效率曲线在2.2°扭角上斜率较大，为了保证较宽广的工况范围，因此优化方案的扭角取为2°。

图14 优化桨与原型桨性能曲线Fig.14 Performance curves of improved propeller and original propeller

图14所示为采用2°扭角后优化桨与原型桨的性能曲线对比。在设计进速点，效率得到约2%的提升;在高进速情况下，由于偏离优化桨设计工况，原型桨相反效率较高。

5 结语

本文对带定子导管桨水动力性能进行设计优化，采用控制网格变形技术对叶片扭角进行多方案对比。结果表明，采用2°扭角的优化方案可以明显控制叶顶流动分离，设计点敞水效率可较原始方案提高2%，并且在性能曲线上设计点附近的效率均可得到提高。本文的研究成果表明，基于网格变形控制技术的网格重构方法，能在保证网格相似性的条件下，解决多方案网格自动生成的难题，便于进行组合式推进器的水动力性能优化设计。

［1］赵威，杨晨俊.船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究［J］.中国造船，2010，51(1):1 －8.

ZHAO Wei，YANG Chen-jun.Reasearch on optimized design of the pitch and camber of marine propellers［J］.Shipbuilding of China，2010，51(1):1 －8.

［2］ARNONE A，BONAIUTI D，FOCACCI A，et al.Parametric optimization of a high-lift turbine vane［J］.ASME GT －2004 －54308，2004.

［3］刘艳，王江峰，伍贻兆.基于遗传算法的翼型多目标气动优化设计［J］.飞机设计，2008，28(4):1 －5.

LIU Yan，WANG Jiang-feng，WU Yi-zhao.Multi-objective aerodynamic optimization design of airfoil based on genetic algorithm［J］.Aircraft Design，200，28(4):1 －5.

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［5］AHN C S，KIM K Y.Aerodynamic design optimization of an axial flow compressor roto［J］.r.ASME GT － 2002 －30445，2002.

［6］陈志鹏，袁新.全工况性能优化在压气机多级环境中的应用［J］.工程热物理学报，2008，29(2):221 －224.

CHEN Zhi-peng，YUAN Xin.Aerodynamics optimum design of compressor blades based on numerical overall performance calculation［J］.JournalofEngineering Thermophysics，2008，29(2):221－224.

Application of controled mesh deformation technology in hydrodynamic optimization design for a ducted propeller with pre-swirl stator

LIU Min，ZHANG Ning，GAO Tong-bing，YAN Xue-lin，CHEN Xiao-ning
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

This paper applied controled mesh deformation technology to hydrodynamic profile optimization of a ducted propeller with pre-swirl stator.Open water efficiency of the optimization scheme is 2%higher than the initial scheme，and the flow separation near the blade tip is highly broken.The results of this paper indicates that mesh reconstruction method based on controled mesh deformation technology can settle the problem in the mesh automatic generation for multi-scheme design in the condition of mesh similarity and can be used in hydrodynamic optimization design for integrated propulsor.

controled mesh deformation technology;ducted propeller with pre-swirl stator;hydrodynamic optimization design

U664.34

A

1672－7649(2011)12－0019－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.12.004

2010－12－02;

2011－05－27

刘敏(1980－)，男，工程师，主要研究方向为船舶总体性能及推进器设计。