基于CFD方法的螺旋桨性能快速预报

2019-12-12豆鹏飞

船舶标准化工程师 2019年1期

戴蕾，豆鹏飞

（1.江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913；2.西门子计算机科技（上海）有限公司，上海 200082）

0 引言

螺旋桨作为船舶推进系统的重要组成部分，其水动力性能的优劣直接影响船舶总体性能。目前预报螺旋桨性能的方法主要有试验方法以及 CFD方法，试验方法是比较传统而且直观的方法，与其相比，CFD方法具有信息量大、成本低、周期短、易并行且响应速度快等优点。近些年随着计算流体力学及计算机的快速发展，通过CFD的手段预报螺旋桨的性能逐渐成为一种趋势，其中FENENO I[1-2]采用雷诺平均的方法（RANS），对具有大侧斜螺旋桨的水动力性能进行预报，并将结果与试验结果进行了对比，无论是定常的计算结果还是非定常的计算结果都和试验结果吻合得较为一致。LI D Q[3]也采用RANS方法做了大量的研究，并对大侧斜螺旋桨在全进速系数时的敞水性能进行了分析。RHEE[4-6]采用混合空泡模型（mixture model）模拟计算了螺旋桨的定常空泡流动，计算得到的螺旋桨敞水性能结果同试验测量结果非常接近，其模拟出的空泡初生以及空泡形状同试验观测结果比较相似。WATANABE[7]在RHEE研究的基础上对螺旋桨非定常水动力性能和非定常空泡进行了数值计算，获得了较为准确的计算结果。LINDAU[8]利用RANS方程结合多相流模型预报了螺旋桨在不同进速系数下的空泡性能，同样也得到了比较良好的计算精度。

1 数值计算方法

1.1 控制方程

本次计算的控制方程选取雷诺平均的 N-S方程，即RANS方程，并且假定流场内的流体均不可压，则可以得到如下形式的连续方程和动量方程[9]：

式中：ui、uj为速度分量的时均值（i,j=1,2,3）；xi、xj为坐标系两个方向的分量；P为压力时均值；ρ为流体密度；v为流体运动黏性系数；g为重力加速度；为雷诺应力项。

1.2 湍流模型

本文计算选取较适合旋转机械的RNGk-ε为湍流模型。RNGk-ε的基本思想是通过在任意空间尺度上的一系列连续的变换，对原本十分复杂的系统或过程实现粗分辨率的描述，从而使小尺度运动系统地从控制方程中去除。控制方程[10]如下：

其中k和ε满足式(4)和式(5)。

式中：k为湍动能；ε为湍动能耗散率；t为时间；xi为坐标系垂直方向的分量；μeff和μ均为湍流黏度；Cv为常数，Cv≈100；P为湍动能的产量；αk=1.0；αε=1.3；C1ε=1.44；C2ε=1.92。

2 计算模型的建立

2.1 几何模型及计算域

本文所选用螺旋桨模型为KP505，其对应的几何模型及参数如表1和图1所示，计算域如图2所示。

表1 螺旋桨主要几何参数

图1 螺旋桨几何示意图

图2 螺旋桨计算域示意图

本文的计算模型均采用O-XYZ直角坐标系建立，坐标原点（0,0,0）取在螺旋桨桨盘面的中心点上。X轴正方向沿着螺旋桨的旋转轴指向下游，Y轴正向指向螺旋桨计算域的左侧，Z轴服从右手定则。计算域分为包含螺旋桨的旋转域以及外部的流场域，2个流域之间通过交界面进行数据传递。

2.2 网格模型

网格质量对数值模拟的精度具有重要的影响，高质量的网格可以有效提高数值模拟结果的精度，网格的形式以及数量都是影响网格质量的重要因素，如上文所述，本文将螺旋桨置于一个比桨直径稍大的圆柱形旋转控制域内，将此域内的网格进行细化，外流域为外流场及支架所在的控制域，由于螺旋桨的桨叶曲率较大，旋转域的网格采用对几何贴合性更好的多面体网格进行划分，外流域则采用六面体网格进行划分，并对螺旋桨尾迹部分进行加密，在节省计算域网格的基础上又能捕捉到尾流场的关键信息，具体计算域的网格划分如图3所示。

图3 螺旋桨网格划分示意图

3 数值计算结果分析

3.1 螺旋桨数值计算结果与实验值的比较

本次计算设定螺旋桨转速n=1 200 r/min，通过调整来流速度VA的大小计算进速系数J从0.5～0.9变化区间的螺旋桨敞水性能。进速系数J、推力系数KT、转矩系数KQ和敞水效率η相互之间的关系为进速系数：；推力系数：；扭矩系数：；敞水效率：式中：T为推力；Q为扭矩；n为转速；d为螺旋桨外径；KT和KQ分别为螺旋桨的推力系数和扭矩系数；n为螺旋桨的转速。

通过STAR-CCM+的模拟计算，分别得到了螺旋桨在不同进速系数下的推力值以及扭矩值，将计算结果与试验值进行比较，比较结果见图4。

图4 螺旋桨敞水特征曲线

由图4分析可见，模拟计算所得到的敞水螺旋桨KT值和10KQ值与试验所得到的数值之间存在一定误差，但在计算的进速系数范围内，吻合情况基本良好，计算值和实验值基本一致，误差均在 5%以内，可以证明用此方法预报螺旋桨的水动力性能是可靠的。需要注意的是，本次模拟采用的是STAR-CCM+中的Motion方法，即将螺旋桨进行旋转，和传统的MRF方法旋转坐标系相比更具有真实性，因此计算得到的结果也更加可靠。

3.2 压力云图分析

本次计算工况较多，在此只对比进速系数J=0.5时螺旋桨叶片的压力分布，由图5螺旋桨叶面和叶背的压力分布可以看出，螺旋桨的叶背压力高于叶面压力，从而形成压力面和吸力面产生推力。同时还发现，螺旋桨的导边压力相较于其他位置的压力较高，这部分也是空泡现象发生的重点区域，需从设计上注意减少空泡，从而降低螺旋桨的噪声和腐蚀。

图5 螺旋桨的压力分布图

3.3 螺旋桨桨涡分析

图6和图7分别为螺旋桨桨涡示意图和流线图。图6显示的是螺旋桨涡强为250的旋涡示意图，从图中可以看到旋涡从叶片上产生的位置，即图中颜色最深的位置。图7左侧的图为以流场的涡核发出的流线，右侧为全部的流线。通过与图6对比可以发现，稍涡涡核产生的位置是一致的，由桨毂处产生的涡也会逐渐向叶片扩展。需要注意的是，螺旋桨的噪声是由于桨叶随边发放漩涡的频率和桨叶振动最大振幅结构响应的频率一致引起的，这些能量使得桨叶发生自激振动，桨叶的结构形态会影响发放涡的频率与强度，因此准确预报螺旋桨旋涡的产生位置和强度对降低噪声起着重要作用。