基于CFD法的船用螺旋桨敞水性能预报

伍蓉晖, 何珍 彭翔 田中文

摘    要：螺旋桨敞水性能对船舶推进性能具有重要意义。本文采用计算流体动力学（CFD）数值计算方法对螺旋桨的敞水性能进行预报计算。通过不同边界层模式下的计算精度比较，提出合适的预报模式，并与试验值对比以验证该模式的有效性。结果表明，该模式计算误差在工程允许范围内，可用于螺旋桨水动力性能预报。

关键词：敞水性能;CFD;边界层;湍流

中图分类号：U661.34                              文献标识码：A

Abstract： Open water performance of propeller is of great significance to the determination of ship propulsion performance. In this paper， computational fluid dynamics （CFD） numerical calculation method is used to calculate the open water performance prediction of propeller， by comparing the calculation accuracy of different boundary layer models， an appropriate prediction model is proposed and compared with the test values to verify the effectiveness of the model. The results show that the calculation error of the model is within the allowable engineering error range and can be used for the prediction of marine propeller hydrodynamic performance.

Key words： Open water performance; CFD; Boundary Layer; Turbulence

1    引言

螺旋桨是应用最为广泛的船用推进器，螺旋桨水动力性能对于船舶推进性能起着至关重要的作用。目前，通常采用敞水试验确定螺旋桨水动力性能。随着计算机辅助软件的快速发展与流体动力学数学模型的深入研究，基于CFD法的数值模拟被广泛应用于螺旋桨前期性能优化与后期结合试验的螺旋桨水动力性能预报。

基于CFD法的螺旋桨数值模拟中，不同的计算域、网格划分、边界层设定、物理模型的选择等直接影响螺旋桨水动力性能计算结果。本文主要采用旋转参考坐标系法（MRF），以VP1304螺旋桨为例对CFD法计算模式进行说明，并与敞水试验结果进行比较，以验证该模式下的CFD法螺旋桨数值模拟结果满足精度要求，可用于螺旋桨水动力性能预报。

2    VP1304螺旋桨水动力性能计算结果与分析

2.1  主尺度

VP1304螺旋桨（图1）为SVA水池公开敞水试验性能的桨模，其主要尺度如表1所列[4]。

2.2   计算前处理工作

2.2.1 计算域

螺旋桨计算域（纵向）如图2所示。速度进口处距离螺旋桨原点5D;出口处距离螺旋桨原点10D;各周界距离螺旋桨原点3D;螺旋桨旋转域直径为1.3D。

2.2.2网格划分及边界层设置

计算域基本网格尺寸为8 mm。螺旋桨桨叶边界细化网格，设置为5%基本網格;桨叶面细化网格，设置为25%基本网格;远场进口、出口、周界网格设置为1 500倍基本网格。

螺旋桨水动力性能的正确模拟依赖于计算域网格与边界层网格的合理划分，尤其是近壁面处边界层网格的合理评估会大大影响螺旋桨数值模拟的正确性。

以近壁面函数近似预估近壁面边界层厚度及层数。

引入速度和距壁面垂向距离无因次量：

由于螺旋桨桨模雷诺数较小，以初始y+=1计算近壁面第一层网格中心距壁面距离;以厚度增长率为1.3，计算边界层层数m=5和m=10时边界层厚度。

根据以上网格尺度及边界层厚度、层数划分计算域网格。螺旋桨叶面网格如图3所示，螺旋桨周界面网格如图4所示，边界层层数为5层及10层时边界层细化网格如图5、图6所示。

2.2.3  湍流模型及边界条件

湍流模型采用k-ε模型，边界层选用壁面函数法;速度进口速度值VA=J·n·D[3];旋转域添加旋转坐标，旋转坐标旋转速度为螺旋桨转速n;计算域进口、出口、周界边界条件，分别为速度进口、压力出口、对称平面。

2.3  计算结果及分析

计算不同进速系数、不同边界层层数和厚度下，螺旋桨的推力系数KT、扭矩系数KQ及效率ηo。数值模拟结果及与试验值的误差，如表2～表4所列：

比较CFD数值模拟结果与绘制的螺旋桨水动力性能曲线可以得到：相同的基本网格尺寸、计算域范围、湍流模型、边界条件、壁面模型下，不同的壁面边界层层数和厚度下计算结果不同;比较不同进速系数J的计算结果可知，在相同的估算方法下，边界层为5层时螺旋桨水动力性能计算精度优于边界层为10层时计算结果;另外，边界层为5层时螺旋桨推力系数、扭矩系数、效率的计算误差均小于4%，均在工程允许范围内。

3   某集装箱船实桨水动力性能分析

3.1  螺旋桨几何尺度

3.2  计算前处理工作

该螺旋桨桨模尺度与VP1304桨相近，计算域、网格尺度、湍流模型等设置与VP1304桨相同。根据VP1304桨计算结果精度，该螺旋桨边界层按层数m=5估算近壁面边界层厚度。根据网格尺度及边界层要求，该螺旋桨网格划分如图10、图11所示，边界层网格如图12所示。

该集装箱船在设计吃水下，通常对应螺旋桨敞水试验进速的范围为J=0.6～0.7。由表6可知：在进速J=0.6～0.7时，螺旋桨推力系数、扭矩系数、效率的CFD数值模拟结果的误差均小于4%（工程允许误差为5%）;在进速系数J=0.4、0.5、0.8时，其CFD计算误差均小于5%，均在工程可接受范围内。

根据该螺旋桨计算结果，进一步验证了在该计算域范围、网格尺度设置、边界层层数和厚度设置下，CFD法适用于螺旋桨水动力性能预报，计算误差在工程允许范围之内。

比较SVA VP1304桨CFD水动力性能数值模拟精度与该桨数值模拟精度，可发现该螺旋桨数值模拟结果比VP1304桨数值模拟结果稍差，其主要原因是螺旋桨几何建模的差异与桨毂流体导入处的几何差异[4-5]。

4   结论

通过比较SVA VP1304桨和某集装箱船螺旋桨的CFD计算结果与敞水试验值，可以得到如下結论：

（1）  CFD法适用于螺旋桨水动力性能预报;

（2） 合理的计算域范围、网格尺寸、边界层层数和厚度、湍流模型等，可提高数值模拟计算精度。按本文提出的各项设置，CFD计算结果均满足工程精度要求，可用于螺旋桨敞水性能预报;

（3）  CFD敞水试验模拟误差，主要源于螺旋桨几何模型、近壁面边界层估算、湍流模型选择等。本文后续可进一步探讨采用其它湍流模型，如k-ω湍流模型、雷诺应力方程模型等。另外，螺旋桨几何模型对模拟结果有一定影响，后续需进一步加以研究。

参考文献

[1] 王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用[ M].清华大学出版社， 2004.

[2]张亮，李云波.流体力学[M].哈尔滨工程大学出版社，2006.

[3] 盛振邦，刘应中.船舶原理[ M]. 上海交通大学出版社，2004.

[4] Judyta Felicjancik. Numerical Simulations of Hydrodynamic open-waterCharacteristics of a  Ship Propeller[J]. Polish Maritime Research 4 （92） 2016 Vol. 23.

[5] 黄胜，王超，王诗洋.不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较[J].哈尔滨工程大学学报， 2009，30（5） .