某表面螺旋桨敞水性能数值计算研究

姬朋辉，袁 帅，冯晓辉

应用研究

某表面螺旋桨敞水性能数值计算研究

姬朋辉，袁 帅，冯晓辉

（潍柴动力股份有限公司 潍坊 261061)

为了了解表面螺旋桨的敞水性能，本文利用通用流体力学软件STAR-CCM+对标准表面螺旋桨模型841 B进行了敞水性能数值仿真。通过数值计算结果与试验数据对比分析可知：推力系数Kt、扭矩系数10 Kq的计算结果与试验值吻合良好，尤其在设计点附近，误差在4%以内。证明本文提出的数值计算方案可有效与准确的预测表面螺旋桨的敞水性能，方便了表面桨的匹配计算与设计工作。

表面螺旋桨 STAR-CCM+ 敞水性能 数值计算

0 引言

表面螺旋桨又被称为半浸螺旋桨、半潜螺旋桨等，是一种部分桨叶露出水面部分桨叶处在水中工作的特种螺旋桨[1]。与常规桨相比，表面桨具有以下特点：（1）工作时，桨轴、桨毂以及部分桨叶等结构处在水面上，可有效减小附体产生的阻力；（2）表面桨直径不再受到浸深、船尾框架的限制，可最大程度上选用最佳直径，提高螺旋桨效率；（3）桨叶的特殊形状可有效减少桨叶表面空蚀现象[2]；（4）表面桨本身产生的振动和噪音较小，舒适度高。

表面螺旋桨敞水性能对快艇、水翼艇的快速性计算具有重要意义，但由于其工作时一部分桨叶在水下一部分桨叶在水面上的特殊的工作条件，使其数值仿真存在一定困难。早期对表面桨敞水性能的研究主要依靠实验方法。如MISRA等[3]通过实船试验总结出具有楔形剖面桨叶形状的表面桨敞水性能优良。随着CFD技术在螺旋桨领域应用的迅猛发展，研究者们逐渐开始使用数值仿真技术开展表面桨的研究。Alimirzazadeh S 等[4]利用商用软件Open FOAM计算了841B表面桨在不同浸深下的敞水性能，取得了良好的计算结果；施宇翔[5]利用通用流体计算软件Fluent研究了某5叶表面桨的敞水性能，通过与试验值对比，计算值精度较高。任振等[6]利用通用流体力学计算软件STAR-CCM+研究了自然通气状态下下半浸桨水动力特性和试验吻合度较高。

本文使用了现阶段通用的流体力学软件STAR-CCM+，通过求解RANS方程来模拟计算域流场、使用VOF法捕来捉桨后自由液面形态、使用滑移网格技术来模拟表面桨的旋转运动。对比分析了数值仿真与试验结果，验证了本文提出的数值计算方案的有效性与准确性，并分析了841B桨尾流场的自由液面形态及桨叶压力分布，为后续的表面桨的匹配与设计提供重要参考。

1 数值方法

1.1 研究模型

本文研究对象为标准表面桨模型841B，如图1所示；Olofsson[7]在瑞典KaMeWa使用自由表面空泡水筒中研究了本桨在浸深比I=0.33（浸深比I=/，为桨叶叶梢到自由液面的距离）工况下的敞水性能并公布了试验数据。 841B表面桨主要参数如表1所示。

表1 841B表面桨数据

图1 841B表面桨

1.2 控制方程

表面桨工作时其流场是典型的三维非定常气液混合两相流场。其中，空气和水可视为不可压缩流体且不考虑水气两相之间的能量传递，控制方程包括质量守恒方程和动量方程，即：

1.3 网格划分方案

为保证流体域内流场得到充分发展同时兼顾计算资源、提高计算效率，本文在桨周围设置了两个圆柱形流体域，其中：小圆柱体为旋转域、大圆柱体为静止域，并在旋转域与静止域之间设置交界面以保证能量和质量的交换。静止域直径为5.0D，入口距离原点3.5D，出口距离原点7.0D，旋转域直径为1.2D，前后端面距桨盘面均为0.5D。流体域采用软件独有的切割体网格，旋转域网格尺寸采用1.2%D，同时网格模板增长率设置为慢方法。桨叶表面尺寸同样采用1.2%D，并采用特征线加密方式以保证网格的贴体性，并在桨叶表面设置边界层网格。同时在桨周围设置与桨同轴的圆柱形加密区，直径为1.5D。计算域网格总数约为380万。

图2 计算域及边界条件

图3 局部网格划分

1.4 边界条件及湍流模型

如图2所示，流体域入口设置为速度入口，出口设置为压力出口，表面桨及桨轴均设置为无滑移壁面。静止域圆柱形表面设置为对称面。旋转域圆柱形壁面与静止域中的壁面联合生成交界面（Interface），以保证两区域的质量与能量传递。计算中通过改变入口速度（即进速V）以获得不同的进速系数J，从而实现计算不同进速系数下的推进性能。

本文选择SST k-ω湍流模型，该模型考虑了湍流剪力的输运特性，更适合表面桨周围复杂流场的模拟。时间模型选择Implicit Unsteady。整个流场的湍流强度取为0.01，湍流粘度比取为10。本文选择VOF法来捕捉自由液面，并使用VOF波模型中的Flat波来模拟静水来流，流场压力设置为Flat波的静水压力，Flat波的速度设置为螺旋桨的进速V。

2 结果分析

2.1 敞水性能

本文计算了841B表面桨在J=0.8～1.2时的敞水性能，并取计算结果中一个旋转周期内推力系数与扭矩系数的平均值为当前工况点下结果。由图4可知，Kt、10Kq计算值随进速J的变化趋势与试验值趋势相同且吻合度高。同时，本文也准确预测出841B表面桨存在一个性能稳定区，对比试验获得性能稳定区可知，两者范围基本相同。由图5误差直方图可知，Kt与10Kq的误差均随着进速系数J的增加由正转负，但两者的最大误差都在10%以内，并且在设计点J=1.05附近误差控制在4%以内。由上数据可知，本文提出的数值计算方案是有效的、可行的，并且满足工程精度的需要。

图4 试验值与计算值对比

图5 计算值误差直方图

2.2 自由液面

由于表面桨特殊的“杯型”随边和气液两相流的工作条件，在表面桨桨叶吸力面形成空气腔。该空气腔与空气相连通，并在螺旋桨的带动下呈螺旋状向下游扩散。如图7示螺旋状空气腔在向下游扩散过程中，空气腔的直径先增大再减小直至逐渐消失。在自由液面上方也可以看到，离桨盘面越远自由液面上方的飞溅越大，而后逐渐消散。综合分析，本文提出的数值方案基本模拟出的尾流形态与桨后实际尾流形态、消散趋势保持相同。

图6 表面桨后真实自由液面形态

图7 It=0.33和J=0.8时自由液面形态

2.3 桨叶面压力分布

图8展示了J=0.8时某一桨叶在不同相位下桨叶表面压力云图。由此分析如下：相位角为90°时，桨叶处在临近入水状态，此时仅在螺旋桨与水接触的导边周围出现了压力变化；相位角为180°时，桨叶完全处在水中，由于螺旋桨旋转的影响高压区集中在压力面叶梢附近且压力沿径向向内降低，从随边到导边压力呈现出先降低后升高的趋势；相位角为270°时，桨叶大部已脱离水面，自由液面由于“杯型”随边的带动有所抬升，因此在压力面叶梢处出现了高压区；相位角为360°时，桨叶完全脱离水面暴露在空气中，此时吸力面和压力面仅与空气接触受力均匀。

3 结论

本文基于通用流体力学软件STAR-CCM+提出了一套数值模拟方案，并对标准表面桨841B进行了非定常气液两相混合流场的数值模拟，并对比分析试验与计算结果，结论如下：

（1）在J=0.8～1.2范围内，Kt与10Kq的最大计算误差均在10%以内，在设计点J=1.05计算误差仅为3.9%，计算误差满足工程使用的需要，证明了本文数值模拟方案的有效性；

（2）本文提出的数值方案基本模拟出桨后尾流形态并和实际尾流形态吻合度较高；

（3）本文分析了不同相位下桨叶压力分布变化，为表面桨桨叶的优化设计及强度校核提供重要数据参考。

[1] 史宗鹰，张金涛，姚明珠.半浸桨推进装置的产品特点与应用情况[J].中国水运. 2023, (03): 63-65.

[2] 丁恩宝, 唐登海, 周伟新. 半浸式螺旋桨研究综述[J]. 船舶力学, 2002, 6(2): 75-84.

[3] Misra S C, Gokarn R P, Sha O P, et al. Development of a four-bladed surface piercing propeller series[J]. Naval Engineers Journal, 2012, 124: 111-141.

[4] Alimirzazadeh S, ROSHAN S Z, SEIF M S. Unsteady RANS simulation of a surface piercing propeller in oblique flow[J]. Applied Ocean Research, 2016, 56: 79-91.

[5] 施宇翔.半浸式螺旋桨水动力性能的数值模拟研究[D]. 杭州: 浙江大学航空航天学院, 2014.

[6] 任振，王超，万德成，袁煜明. 自然通气状态下半浸桨水动力特性数值分析[J].上海交通大学学报. 2018, 52 (06): 636-642.

[7] Olofsson N. Force and flow characteristics of a partially submerged propeller[D]. Goteborg, Sweden: Chalmers University, 1993.

Numerical calculation of open water performance of a surface propeller

Ji Penghui, Yuan Shuai, Feng Xiaohui

(Weichai Power Co., Ltd，Weifang 261061，China)

V211.4

A

1003-4862（2023）10-0045-03

2023-03-13

姬朋辉（1991-），男，工程师。主要从事：船机桨匹配设计、流体仿真研究等工作。E-mail：15762590866@163.com