固定架对导管桨敞水性能的影响分析

付南聪 王冬姣 叶家玮

摘    要：导管桨可比开式螺旋桨提供更大的推力。根据某水下清污机器人的结构特点，提出了一种带有标准导管19A及固定架的导管桨，将螺旋桨电机安装在固定架的电机舱内，固定架的存在将影响导管桨的水动力性能。为此，利用STAR-CCM+对含固定架的设计导管桨进行了水动力性能分析。数值模拟结果表明：增大固定架套筒的直径会降低导管桨的推力，通过改进电机舱端部形状，能在较高进速系数下有效提高其敞水性能。

关键词：导管桨；STAR-CCM+；多面体网格；敞水性能

中图分类号：P731.2                                文献标识码：A

Influence Analysis of Fixing Bracket on Performance of

Ducted Propeller in Open Water

FU Nancong， WANG Dongjiao， YE Jiawei

（ South China University of Technology，  Guangzhou 510641 ）

Abstract： Ducted propellers can provide more thrust than open propellers. According to the structural characteristics of the underwater cleaning robot， a ducted propeller with a standard duct 19 A and a fixed frame is proposed. The propeller motor is installed in the motor room of the fixed frame. The existence of the fixed frame will affect the hydrodynamic performance of the ducted propeller. For this purpose， the hydrodynamic analysis of the designed ducted propeller with fixed frame was carried out by using software STAR-CCM+. The numerical simulation results show that the thrust of the ducted propeller can be reduced by increasing the diameter of the fixed frame sleeve. By improving the shape of the end of its motor compartment， it can effectively improve the open water performance at higher advance ratio.

Key words： ducted propeller;  STAR-CCM+;  polyhedral mesh;  open water performance

1     前言

导管螺旋桨作为海洋结构物常用的推进器，能够在重载时表现出较高的推进效率，并且能够有效地减少外部流场变化对转矩的干扰影响[1]。精准预报导管桨的水动力性能，是确保结构物在海洋中完成既定航行轨迹的有力保障。宋科等[2]分别对导管桨的导管长度、导管攻角、螺旋桨纵倾角及多导管组对水动力特性的影响进行分析，可为导管桨设计过程中的选型及优化提供指导；邱鹏等[3]基于重叠网格技术对导管桨在非定常流场中的水动力性能进行数值仿真，并与实验数据相比较，表明该方法能有效模拟螺旋桨在推力和扭矩方面的性能；吴家鸣等[4]通过重叠网格、多参考系法和滑移网格法，分别对导管桨的水动力性能进行仿真计算，从计算速度及计算精度两个方面评价这三种方法在模拟过程中的优劣；Cai等[5]采用面元法预报导管桨的敞水性能，结果表明该方法在保证计算精度的前提下能有效节省计算时间。

本文针对某开架式水下清污机器人[6]的推力需求和结构特点，提出了一种含固定架的导管桨，将驱动螺旋桨的电机安装在固定架的电机舱中。通过对其敞水性能进行数值仿真，探讨了固定架对导管桨水动力性能的影响。

2     理论基础

2.1   控制方程及湍流模型

假设流体不可压缩，且不存在结构物的变形及产热，其连续性方程和动量守恒方程可分别表示为：

采用Realizable k-ε模型模拟螺旋桨旋转时的流场，该模型能够对时均应变率较大时产生的负压力进行约束。

2.2   敞水性能系数定义

通过STAR-CCM+进行数值仿真计算，可获得如下无量纲系数：

式中：T为导管桨总推力；Q为扭矩；ρ为水的密度；J为进速系数；VA为螺旋桨进速；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径；KTN为导管的推力系数；Tn为导管推力；KT為导管桨总推力系数；KQ为扭矩系数；η0为导管桨的敞水效率。

3     数值模拟

3.1   模型建立

根據图1所示开架式水下机器人的结构特点，选用19 A型导管+Ka4-55螺旋桨的导管桨，且前端配有电机安装舱、套筒及支架组成的固定架，其中支架采用流线型支柱，通过Solidworks软件建模，如图2所示。桨叶的参数见表1，固定架参数见表2。

3.2   计算域及边界条件

计算域的设置须同时考虑计算速度及计算精度，即需要提供足够大的计算流场域，以确保流场的扰动能够被完全捕捉以及尾迹能够充分发展且不影响螺旋桨的转动，同时又需要尽可能小的计算流场域以达到尽可能少的网格从而降低计算成本。

考虑到模型的物理特征，计算域设置为圆柱型，以螺旋桨直径D为计算域的长度设计最小单位，设置桨叶距入口处距离为4 D，距出口处距离为5 D，出入口直径为8 D。

整体区域分为两个计算域：一个是包含螺旋桨桨叶的旋转域，另一个是包含导管和固定架在内的外部流域。其中，两个计算域的数据通过内部交界面来进行传递，入口处的边界条件为速度入口，出口处的边界条件为压力出口，计算域侧面的边界条件设置为对称面，螺旋桨、导管以及固定架均设置为壁面，如图3所示。

3.3   网格划分

采用切割体网格。对于内部旋转域网格，由于其包含螺旋桨桨叶部分，表面曲率变化较大且不均匀，因此基础尺寸设置较为精细，导管桨表面的网格分布如图4（a）所示；外部流域网格可以相对粗糙一点，因此设置基础尺寸较为粗糙；为了捕捉较为精细的流场细节，还需要对尾流区域进行局部加密。

计算域网格如图4 （b）、4（c）所示。通过改变基础尺寸数值大小即可改变整体计算域网格数量，具体设置网格数如表3所示，取进速系数J为0.1。从表3结果可以看出，不同网格数对应的计算结果已经趋于稳定，因此为节约计算时间取网格数为155万的网格为计算网格。此时旋转域的基础尺寸为0.05 m，外部域的基础尺寸为0.08 m，并设置边界层数为3。

4     结果分析

1）通过仿真计算得到19 A型导管+Ka4-55螺旋桨的常规导管桨的敞水性能曲线，并与图谱曲线进行对比，如图5所示。图中：Exp.表示图谱数据，来源于荷兰实验室所公开的19 A型导管+Ka4-55螺旋桨的敞水性能实验数据[7]；Cal.表示仿真结果。根据图5可知，仿真计算结果能较好地拟合图谱的曲线，说明该数值模拟方法具有一定的准确性，计算结果具有可信度。

2）图1所示的水下机器人导管桨，在正车工况下，来流需通过固定架才能进入导管桨的旋转区域，含固定架导管桨的水动力性能与无固定架情况的比较，如图6所示，图中fix表示考虑固定架影响后的计算结果。由图6可知，增加固定架后导管桨的轴向力减小而周向力增大，从而使得螺旋桨的敞水效率η0降低，表明固定架的存在导致螺旋桨对电机功率的利用效率下降。

3）在电机安装舱直径无法减小的前提下，经计算发现固定架长度对导管桨敞水性能影响较小。现针对固定架套筒的外径进行影响分析，取固定架长度L=0.6 D，固定架套筒外径Df分别取0.77 D、0.85 D和1 D，其中D为导管桨桨叶直径，计算结果如图7所示。由图7可知，随着固定架套筒外径的增大，导管桨在各进速系数下产生的轴向推力和对应的敞水效率逐渐下降。

4）为探讨固定架套筒直径的增大是通过何种方式影响导管桨的敞水性能，将设计导管桨分模块讨论受力情况，结果如图8所示。图中Tp表示螺旋桨受力，Tn表示导管受力，Tba表示电机舱受力，Tw表示固定架套筒壁面受力，Tf表示固定架中的支架受力。随着固定架套筒直径的增加，固定架各部分的受力并没有显著降低，尽管在进速系数J小于0.8时，螺旋桨的推力Tp有所提高，但是导管受力Tn却明显下降且下降幅度大于Tp的增长幅度，因此在电机舱直径一定时，导致导管桨整体推力下降的主要因素是位于导管桨前方的固定架，随套筒直径的增大而影响了进入导管桨的流场，从而影响了导管桨的水动力性能。

从图8可知，固定架最大的不利影响是由圆柱形电机舱带来的，而电机尺寸决定了电机舱的大小。因此在无法减小圆柱形电机舱直径的前提下，为减小固定架对导管桨整体性能的影响，针对电机舱端部形状做出改进，即使用图9所示的偏椭圆状的防水接头。

电机舱端部形状改进前后，含固定架之导管桨的计算结果，如图10所示。结果表明，与原圆柱形电机舱比较，改变电机舱端部形状后，低进速时含固定架导管桨的水动力性能略有改善，而在高进速下，改变电机舱端部形状后通过降低作用在电机舱上的阻力，可有效提升导管桨整体的敞水效率。

5     结语

针对某开架式水下清污机器人的结构特点，提出了一种含固定架以安装螺旋桨电机的导管桨，并利用STAR-CCM+对其敞水性能进行数值仿真，在电机舱直径无法减小的基础上分析了固定架的长度、固定架套筒外径和电机舱端部形状对含固定架之导管桨敞水性能的影响，得到以下结论：

1）与无固定架导管桨比较，固定架的存在将导致导管桨敞水效率降低；在电机舱直径无法减小的情况下，改变固定架的长度对导管桨的水动力性能影响较小，而固定架套筒的外径变化对导管桨的推进性能有一定的影响，因此需在实际设计安装过程中有所考虑；

2）与原圆柱型电机舱相比，通过增加椭圆形防水接头，改进电机舱端部形状，能减小作用在电机舱上的阻力，有效提升高进速时含固定架导管桨的敞水效率。

参考文献

[1] 陈宁， 赖海清. 导管螺旋桨设计和水动力性能分析[J].  造船技术， 2014（03）.

[2] 宋科， 王文全， 闫妍. 导管螺旋桨水动力学性能的影响因素[J]. 船舶工程， 2018， 40（11）.

[3] 邱鹏， 郑高. 基于重叠网格的导管桨非定常水动力性能数值模拟[J]. 舰船科学技术， 2021， 43（07）.

[4] 吴家鸣， 张强. 三种CFD方法计算敞水导管螺旋桨推力特性结果观察[J]. 广州航海学院学报， 2021， 29（03）.

[5] Cai H P， Su Y M， Li X， et al. Using the surface panel method to predict the steady performance of ducted propellers[J]. Journal of Marine Science and Application， 2009， 8（4）.

[6] 薛乃耀. 作业型水下机器人运动控制系统研究[D]. 广州：华南理工大学， 2020.

[7] Oosterveld M. Wake adapted ducted propellers[D]. Delft：  Delft University of Technology， 1970.