简化伴流中螺旋桨空泡性能数值模拟方法

翟树成，马艳，刘登成，洪方文

(中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室，江苏 无锡 214082)

船后螺旋桨空泡变化特征主要来源于船后非均匀流场，采用船后螺旋桨整体方案来预报螺旋桨空泡性能时计算量较大。而在螺旋桨设计阶段，出于商业秘密，有时并无船体三维模型，仅有船体主参数及伴流分布特征等输入参数，此时就需要采用简化伴流方法开展螺旋桨空泡性能预报。考虑分析简化伴流中螺旋桨空泡性能与船后螺旋桨空泡性能的差异特征，为螺旋桨空泡性能设计提供快速可靠的预报方法。

1 模型对象

选择典型的肥大型商船，相较于尖瘦型船舶，其艉部流场更复杂，伴流更大，空泡模拟更困难。船型及桨叶的主要参数见表1，坐标原点位于桨盘面与桨轴的交点，轴垂直向上，轴指向右舷，坐标系满足右手法则，由船艉向船艏看，螺旋桨顺时针旋转为正，工况见表2。

表1 船体及螺旋桨主参数(实船)

表2 计算工况

2 数值方法

2.1 网格及模拟过程

计算域范围见图1，自由液面处采用对称边界条件，入口、侧面及底面采用速度入口边界条件，出口采用压力出口边界条件。

图1 计算域及边界条件

采用非结构化网格进行流体域划分，船体物面及螺旋桨物面采用棱柱形网格进行加密处理，总层数为8层，增长比例为1.2(见图2)，船体壁面≈30，螺旋桨壁面≈20，总网格数约为980万单元。

图2 网格划分模型

2.2 控制方程及空泡模型

假设汽/液多相流模拟时流体是均匀的，连续性方程和动量方程为

(1)

(2)

式中：是速度项；为力源项;为混合相压力；为湍流粘性。这里采用适用于螺旋桨周围复杂流场模拟的SST-湍流模型,空泡模型为Schnerr-Sauer空泡模型，空泡界面处理采用了VOF方法。

3 结果分析

3.1 船后标称伴流

船后标称伴流预报采用来流速度进行无量纲处理，定义12点钟位置为0°，受到船体边界层的影响，在0°附近形成了较明显的低速区域。

3.2 简化伴流条件下螺旋桨空泡性能

采用标称伴流作为入流边界条件模拟螺旋桨空泡形态，计算域见图3。

图3 计算域

总网格数约为2.1×10，约为船后螺旋桨总网格数量的1/4，因此可以提高螺旋桨空泡预报效率4倍。通过调整入流场的水速，使螺旋桨推力系数达到所需要的值。采用简化方法模拟螺旋桨空泡性能时，为了监测空泡诱导脉动压力，在螺旋桨上方布置一平板模拟船底板以监测脉动压力。平板下表面与桨叶梢部的距离满足梢隙比要求，平板宽度及长度与船底板相当。

简化伴流下螺旋桨空泡形态与船后螺旋桨空泡形态的比较见图4，可以看到在简化伴流下预报的螺旋桨空泡特征与船后螺旋桨空泡特征相似。在桨叶位于-10°时，试验中空泡形状出现于0.8，呈点状出现，而仿真结果呈现片状出现，径向范围较宽，0°位置时，试验中导边片空泡未延伸至梢部，而仿真模拟结果均延伸至梢部，10°位置时，试验中空泡凸出部分更靠随边。随后片空泡与梢涡空泡相互作用，并形成不稳定梢涡空泡拖泄至下游，仿真结果同样预报出这一现象，但梢涡空泡的长度及范围较试验值更小。

图4 螺旋桨空泡形态比较

脉动压力监测点位置见图5，空泡诱导的船体脉动压力比较见图6。

图5 脉动压力监测位置示意

图6 脉动压力幅值比较

将脉动压力时序监测信号通过快速傅里叶方法换算至频域，然后提取1阶、2阶和3阶叶倍频处的脉动压力幅值进行分析。采用简化伴流方法获得空泡诱导船体脉动压力1阶值在～位置均能够与船后预报以及船后试验结果吻合较好，而～均偏大，2阶值同样有此现象。因为这些点位于船侧，船体的弧度导致船后状态螺旋桨空泡离监测点的距离大于简化伴流时螺旋桨空泡离检测点的距离，导致简化伴流模拟时这些位置的脉动压力仿真结果较试验结果偏大。3阶值无论是船后或者是指定伴流预报结果均较试验值偏大。空泡自身脉动及梢涡空泡是影响2阶、3阶量的重要因素之一，此外，指定伴流模拟时空泡形态预报结果稍大，也是导致空泡诱导脉动压力幅值偏高的原因之一，若采用更精细的梢涡空泡模拟可以提高脉动压力的预报精度，但是计算量会成倍增加。

4 结论

1)受到船体边界层的影响，船后标称伴流场在周向0°附近形成了明显的低速区域。

2)螺旋桨空泡预报结果及发展过程与试验吻合较好，采用简化伴流方法预报捕捉到了相同的空泡形态以及发展特征，包括片空泡凸出部随桨叶转动角度的移动过程以及与梢涡空泡的相互作用过程等，数值模拟方法预报获得了梢涡空泡特征，但梢涡空泡长度较试验结果梢短。

3)简化伴流方法预报的螺旋桨空泡脉动压力预报结果与船后及试验结果吻合较好。

4)采用简化伴流的方法所获得的螺旋桨空泡特征能够较好地反映船后螺旋桨空泡性能，可以满足螺旋桨设计中所需的船后螺旋桨空泡性能评估；同时，由于计算过程中不包含船体模型，计算时间大大缩短，可提高螺旋桨空泡性能预报效率。