基于Boltzmann方法的手动可调螺距桨敞水特性

马旭，王成军，吴堂堂

(1.珠海城市职业技术学院机电工程学院，广东 珠海 519090；2.珠海市和裕丰船舶设备有限公司，广东 珠海 519090)

船舶行业大多数船舶采用定距螺旋桨，在实际造船及船舶服役过程中，由于临时更改局部设计，船底附着物增加，柴油机功率衰减等原因会使得船体、主机、螺旋桨的匹配性变差，出现“负荷轻”或者“负荷重”等情况，影响船舶的动力性。为此，提出手动可调螺距螺旋桨(以下简称手动可调桨)，通过调节叶片的螺距角度改变螺旋桨的推力，解决新型船首制和船舶长期服役后出现的船、机、桨不匹配问题，有研究表明，采用XFLOW软件计算船舶螺旋桨推力特性数据能得到满足工程使用的合理结果[1]，并且可极大缩短计算时间。故采用基于格子Boltzmann方法的XFLOW软件对手动可调螺距螺旋桨进行敞水性能预报。

1 手动可调桨的结构

手动可调桨采用特殊设计的机械结构，桨叶与桨毂分开制作。桨叶采取涡流理论方法进行设计。桨毂设计成两半式，采用螺旋和曲柄滑块机构作为主要的调整机构，通过旋转桨毂末端与艉轴连接且带螺纹的调节杆，调节杆前后移动的同时带动桨毂内部的导架前后移动，导架通过滑块与桨叶法兰上的槽连接，导架的前后移动带动桨叶旋转，从而实现整个螺旋桨螺距的改变。螺距调整至需要的值后，利用特殊设计的固定块将调节杆与桨毂固定，从而实现手动可调桨螺距的固定。手动可调桨桨毂结构见图1。

图1 手动可调桨桨毂结构

2 数学模型

2.1 格子Boltzmann模型

格子Boltzmann方法模拟的对象是流体粒子，即微观充分大、宏观充分小的流体分子微团。其具体形式如下[2]。

fi(r+ciΔt,t+Δt)=fi(r,t)+Ωi

(1)

式中：fi为沿i方向的粒子速度分布函数；ci为当地粒子速度；Ωi是碰撞算子，表示发生碰撞后fi的变化率。引入BGK近似，碰撞算子线性表示为

(2)

(3)

式中:wi为权重系数；ρ为流体密度；u为流体速度;cs为流体中声速。

2.2 湍流模型

采用大涡模拟湍流模型，基本思想是直接数值模拟大尺度结构，而小尺度结构通过建立亚网格模型来模拟，其控制方程为[5-6]

(4)

(5)

(6)

(7)

3 手动可调桨的物理模型

3.1 手动可调桨的几何模型

数值模拟的手动可调桨的参数见表1，几何模型见图2[7]。

表1 手动可调桨主要参数

图2 手动可调桨的几何模型

3.2 模拟设置

模拟计算设置如下：环境工程中求解器设置为3 d单向外部流，湍流模型采用WALE，风洞大小为18 m×6 m×6 m，采用风洞入口流速作为初始边界条件；材料设置为水；几何工程中，导入图2所示的几何模型，将几何模型设置为强迫运动，将手动可调桨转速设置成额定转速，不考虑壁面摩擦的影响；仿真工程中，仿真时间设置为3 s，时间步长采取自动时间步，时间步长的选取以稳定性参数作为依据，当稳定性参数偏高，应减少时间步长，反之亦然，以节省计算时间；除此之外，全局的求解尺度设置为0.1 m，手动可调桨壁面附近的求解尺度设置为0.025 m，尾流采取自适应细化方式，求解尺度设置为0.05 m；为了提高尾流区数值解的精度减少计算时间，在手动可调桨尾流区设置8 m×3 m×3 m的细化计算区域，该区域求解尺度设置为0.025 m。

4 数值模拟结果及分析

4.1 不同桨叶转角时的敞水特性

根据构建的物理模型和格子Boltzmann方法，对图2所示的手动可调桨利用XFLOW软件进行数值计算，并依据螺旋桨推力系数、转矩系数、敞水效率、进速系数等理论公式预报在不同桨叶角度，不同进速系数情况下推力、转矩、敞水效率，结果见图3～5。

图3 不同桨叶螺距转角时进速系数与推力关系

图4 不同桨叶螺距转角时进速系数与转矩关系

图5 不同桨叶螺距转角时进速系数与敞水效率关系

图3～5表明，当桨叶螺距角由小变大时，相同进速系数下推力、转矩逐渐增大，进速系数较小时桨叶螺距角小的敞水效率高，进速系数较大时桨叶螺距角大的敞水效率高。

4.2 桨叶螺距转角范围分析

在船舶运营中难以出现进速系数不变，手动可调桨在不同桨叶转角下工作的工况，但为了理论分析，以J=0.63为例，计算桨叶螺距转角(以初始设计螺距转角为0°基准，下同)从-12°～12°的推力系数、转矩系数、敞水效率结果，见图6。

图6 J=0.63时不同桨叶螺距转角下手动可调桨敞水特性

图6表明，随着桨叶螺距角度逐渐增大，手动可调桨的推力、转矩呈现逐渐变大趋势，当桨叶螺距转角大于零度时，转矩出现快速增大趋势。从效率曲线看，当桨叶螺距转角小于-10°时，手动可调桨效率出现明显的爬升趋势，其原因是当桨叶螺距角度减小推力降低的同时转矩降低的速度要高于推力降低速度，在手动可调桨实际应用中，这种情况是不应出现的，因为小推力小转矩意味着船舶处于停航或锚泊工况。因此，手动可调桨桨叶螺距转角不应小于-10°，为了保证手动可调桨桨叶不超出允许使用螺距转角范围，在机构设计中应保证单向可调范围不超过10°，即范围在-10°～10°范围内。表明手动可调桨桨叶螺距转角有特定的工作范围限制。

4.3 不同桨叶螺距转角时叶片表面压力分布

为了分析手动可调桨桨叶表面的压力分布，预测不同转角工况下可能发生空化的区域，以J=0.63为例，选取桨叶螺距转角-8°、0°、8°时的吸力面和压力面云图见图7进行对比分析。

图7 桨叶

图7结果表明，随着桨叶螺距角的增大，桨毂及叶根表面的低压区域逐渐减少，说明桨叶螺距角越大在叶根附近发生空化的可能性越小。随着桨叶螺距角的增大，吸力面低压区由叶片中部逐渐向导边叶梢附近转移，低压区的面积逐渐减小，发生空化的可能性逐步降低，且桨叶螺距转角小于0°时低压区主要分布在叶片上，桨叶螺距转角大于0°时低压区主要分布在导边叶梢附近。随着桨叶螺距角的增大，压力面上的低压区逐渐消失，高压区逐渐增大，压力最大值出现在0.7R附近，并且随着桨叶螺距角的增大，桨叶导边叶梢附近压力越高。

5 结论

1)当桨叶螺距角增大时，其推力、转矩逐渐增大。当进速较小时，桨叶螺距角小的效率高，进速较大时桨叶螺距角大的效率高。

2)手动可调桨桨叶螺距旋转角度有一定的工作范围，从效率角度分析，文中的手动可调桨桨叶螺距旋转角度在-10°～10°范围内。

3)随着桨叶螺距角的增大，桨叶吸力面低压区逐渐减小，并由叶片中部向导边叶梢附近转移，桨叶压力面高压区逐渐增大，叶根及桨毂附近的低压区逐渐减少，手动可调桨发生空化的可能性降低。