艇体非均匀伴流场下螺旋桨压力场

2013-12-05张志谊华宏星

噪声与振动控制 2013年2期

马超,肖锋,张志谊,华宏星

（上海交通大学机械系统振动国家重点实验室，上海 200240）

随着潜艇高速度、低噪声的要求，螺旋桨作为潜艇的主要推动源，受到越来越多的关注。螺旋桨周围的流体流动为复杂的三维非定常湍流，常伴有涡流，汽蚀，水力振动等现象，这些现象都可能导致螺旋桨周围水压力随时间不断快速变化，即出现压力脉动，影响到螺旋桨的稳定运行。因此，为了提高螺旋桨运行的稳定性及艇的隐身性，对螺旋桨周围流场压力脉动的研究已成为潜艇研究的热点之一。

对于螺旋桨非定常力的研究，通常分为理论研究，试验研究和数值研究三类，2005年，胡健[1]在用面元法计算螺旋桨非定常水动力性能的基础上，利用奇点分布的方法计算了船尾脉动压力。黄红波，陆林章等[2]利用六分力天平测量了不同浸深比下半浸式螺旋桨的非定常力。随着计算流体力学技术能的蓬勃发展，利用CFD软件来进行螺旋桨水动力性的研究变得越来越普遍，傅慧萍[3]通过FLUENT软件计算了螺旋桨推力的脉动情况，但通过CFD方法直接计算获得螺旋桨轴承力六分量方面的文献还不多见。

本文采用FLUENT提供的滑移网格[4,5]模型，利用三维Navier-Stokes方程和RNG湍流模型，对整艇下的螺旋桨进行了非定常数值模拟，得出螺旋桨周围流场压力分布的主要特点，并通过积分得到螺旋桨轴承力六分量的脉动特性，为改进螺旋桨结构，降低运行时的噪声和振动提供依据。

1 控制方程与湍流模型选取

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[6]式中ui，uj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，gi为重力加速度分量，为雷诺应力项。由于方程中雷诺应力项属于新的未知量，要使方程封闭，必须对应力项作某种假设，或引进新的湍流模型方程，把应力项中的脉动值与时均值联系起来。

Yanhot和Orszag[7]把重整化群（RNG）方法引入到湍流研究中建立了一个新的湍流模型，其方程如下

2 计算模型及计算方法

2.1 几何模型

计算所用模型为SUBBOFF潜艇模型，艇体总长为4.356 7 m，指挥台前缘位于0.924 m处，围壳长0.368 m，4个尾翼剖面为NACA0018，对称布置与艇尾部，艇模的具体型值见文献[8],

螺旋桨在艇体的安装位置为lL=0.9704，L为艇体长度。坐标原点设置在桨叶中心，x轴方向代表来流方向，沿着螺旋桨的旋转轴指向下游，y轴铅直向上，z轴利用右手定则确定。模型所用桨为DTMB4119三叶桨，直径D=2R=0.25 m，整个艇体模型见图1

2.2 网格划分及计算方法

网格质量直接决定计算的收敛性、效率和精度，本文计算区域从艇首向上游延伸一个艇长，从艇尾向后延伸两个艇长，远场圆柱侧面边界距离中心线为艇体最大直径的4倍，计算区域包括整条艇体，见图（2）。由于旋转区域螺旋桨形状复杂，若生成结构化网格，易出现负体积，故采用适应性较好的非结构网格划分。流动区域之间通过网格交界面相互连接。计算过程中，随着计算时间的推进，流动区域沿网格交界面作相对滑移运动，通过网格界面的通量由网格交界面相交的部分来计算。

图1 Suboff艇体三维模型视图Fig.1 Three dimensional model of Suboff hull

图2 计算域网格划分Fig.2 Mesh of computational domain

采用SIMPLE求解不可压缩流体时均N-S方程，选用RNG湍流模型封闭方程组，壁面采用标准壁面函数处理，进口采用速度进口边界条件，出口为自由出流边界条件，流场的非定常计算分为两步计算，首先进行的是模型的定常计算，然后进行非定常计算，其中定常计算的结果作为非定常计算的初始条件，检测监测点处的压力场是否满足周期性要求，如果满足，计算收敛。本文设置时间步长Δt=3.125×10-4s，即每个时间步螺旋桨旋转1.8°，其旋转一周需要200个步长。

3 仿真结果分析

在不同进速系数（J=0.5-1.1）下，计算定常流动时的推力系数K T和扭转系数K q的模拟值与实验值对比，结果如图（3）所示，结果表明在模拟工况下的推力系数和扭转系数的误差在8%之内，从总体上来看，模拟曲线图与实验结果曲线图基本吻合，说明该模拟方法能较准确地模拟螺旋桨的水动力特性，从而也证明了本文所选用的数值方法是可行的。

图3 螺旋桨敞水特性与试验值曲线Fig.3 Open water characteristics curves of simulation and the experiment

3.1 压力云图分析

图4 监测点（1,2）压力脉动时域图Fig.4 The time domain diagram of pressure pulation at the monitoring points

在进行非定常分析前首先进行了收敛性判定，图4给出了计算监测点1（空间坐标点（40，37.5，0））和2（空间坐标点（40，112.5，0））转过4圈后的压力变换曲线图，从图可以看出测点的压力具有明显的周期性，根据收敛性判定准则，计算收敛。

图5 不同截面处压力云图(R为桨叶半径，X为轴向坐标值)Fig.5 Cloud pictures about pressure of different sections

图5 分析艇尾部不同位置处压力场的变化云图，对比子图(a)—(c)可以看出，随着与螺旋桨中截面的距离变小，艇体表面周围压力变化越来越剧烈，但影响区域却越来越小，逐渐向中心收缩，从子图(d)发现，螺旋桨同一截面处吸力面和压力面具有明显的压力差，吸力面的压力随着径向距离的增大，压力逐渐增大，而压力面的压力却逐渐递减，在叶稍位置处压力差达到最大，从而也解释了叶稍处易产生涡的原因。从子图(e)看出，该截面流场并不像桨叶前端压力场那么复杂，变化比较均匀，压力变化呈现近似层状分布。

由于从上图可知，桨—舵之间的流场比较复杂，从而接着对桨—舵之间X/R=0.5位置处螺旋桨转动一圈的压力场进行分析，图6螺旋桨转动一周压力云图，从图中可发现，在转动一圈时间T内，压力根据叶片位置变化而变化，压力云图随着着桨叶的旋转而旋转，且旋转方向相同，各个时刻的压力变化具有明显的相似性，螺旋桨相应位置处几乎都是低压区，压力场近似为涡状，而叶片与叶片之间的流场为高压区，流场形状呈扇形状，压力向外逐渐变大。

3.2 螺旋桨轴承力分析

由于艇后流场的不均匀性，产生的螺旋桨非定常的力和力矩，严重影响艇的隐身性和稳定性，为了分析该六个分力（三个力，三个力矩分量）的脉动情况，运用fluent通过积分得到螺旋桨三个方向的力和对坐标轴的力矩。

表2列出了六个分力统计值（其中脉动量定义为：|最大值—最小值|）。从表中可看出，在力脉动量中，推力Fx脉动量最大，其余两个分量约为该分量的0.6倍。在力矩脉动量中，扭转Mx脉动量最小，其它分量是它的3倍左右。其中横向力，垂向力，垂向弯矩和横向弯矩在一周内其方向一直有变化，时而向上，时而向下，但是波动并不大。由于篇幅所限，本文只给出了推力脉动压力的时域和频域图，从图中可以明显地看出推力在空间360°内具有明显的波动性，并且是叶频为主，其余未给出的五分量在时域和频域上也表现出相似的特性。