船用螺旋槳敞水性能數值分析

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1、船用螺旋槳敞水性能數值分析摘要：為預測某船用螺旋槳在不同螺距下的敞水性能，對標準螺旋槳DTMB4119的敞水性能進行數值模擬，得到的推力 因數和扭矩因數計算值與試驗值的對比表明通過求解RANS方 程模擬螺旋槳黏性流場是可行的用該方法預測某船用螺旋槳的 敞水性能：模擬得到不同螺距下螺旋槳推力因數、扭矩因數和表 面壓力因數的變化以及尾流情況通過RANS方法可以較準確地 分析船用螺旋槳敞水性能.呂鍵詞：船用螺旋槳；敞水性能；螺距；表面壓力；尾中圖分類號：U664.33 : TB115.1文獻標志碼：BNumerical analysis on open water performance ofshi

2、p propellerGU Chengzhang, ZHENG Bailin(Institute of Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China)Abstract : To predict the open water performanee of a ship propeller under different pitches, the numerical simulation on open water performance of the standard propeller DTMB 4119 is per

3、formed. The comparison of computation results and test results of thrust coefficient and torque coefficient indicates thatit is feasible to simulate viscous flow field of the propeller by solving RANS equations The method is applied to predict the open water performance of a ship propeller, and the

4、thrust factor, torque factor, surface pressure factor, and wake flow are simulated under different pitches The open water performa nee of a ship propeller can be well an a lyzed by RANS method Key words : ship propeller; open water performanee; pitch; surface pressure; wake flow0引言隨著現代計算機硬件以及數值算法的快速

5、發展，RANS方法 在目前流場分析及工程設計優化中的應用越來越廣，解決瞭很多 通過經典算法以及傳統試驗難以解決的問題從第22屆國際拖曳 水池會議(International Towing Tank Conference ,ITTC )開始，RANS方法開始被應用到船用螺旋槳的水動力分析中1 ,而在 此之前，螺旋槳的設計以及性能預測主要基於勢流理論建立的升力面理論2 和面元法3 ,與其相比，RANS方法能更快地模擬螺旋槳附近的黏性流場.1螺旋槳三維黏性流場的數值模擬為驗證通過求解RANS方法預報螺旋槳三維黏性流場的準確性，以DTMB4119槳為例，對其槳葉周圍的黏性流場進行數值模擬.DTMB 4

6、119槳被ITTC選為考證數值方法預報精度的標準螺旋槳，其槳葉直徑為0.3048 m ,葉剖面為NACA-66mod型，毂徑比為0241.1理論基礎RANS方程中的連續性方程5 可用笛卡爾張量表示為 pnt+n（pui）Dxi=0 （ 1 ）動量方程可表示為t（pui）+xj（pujui）=-npnxi+nnxj（p+pt）nuiDxj+nujn xi+fi （ 2 ）式中：p為流體密度；p為流體動力黏性因數；pt為湍 流動力黏性因數若流體為不可壓縮流，則口pQt=0（ 3 ）1.2CFD 計算模型螺旋槳流場的計算域見圖1,包括外部大圓柱形區域（直徑1.60 m ）和內部小圓柱形區域（直徑0.

7、36 m ） 內區采用非結構 化網格（見圖2 ）,並在螺旋槳表面劃分5層棱柱體網格來更好 地模擬邊界層的流動；外區采用結構化網格，內外區的交界面定 義為interface採用動參考系模型計算，即內區定義為與螺旋槳 同步轉動，而外區則采用絕對坐標系湍流模型采用RNG k弋模型，定義殘值收斂標準為5E-5.1.3邊界條件設置設內流場的轉速為600 r/min，而外流場則在絕對坐標系下靜止，流場入口設置為速度入口，其速度vA根據螺旋槳的進速因 數J換算得到，換算公式為J=vA/nD式中：n為螺旋槳的轉速；D為槳葉直徑；vA為入口速度出口設為壓力出口，大圓柱體表面設為對稱邊界條件，槳葉和槳毂表面設為無

8、滑移壁面.1.4計算結果1.4.1敞水性能計算結果及驗證進速因數分別取為 0.500 , 0.600 , 0.700 , 0.833 , 0.900 和1.100 ,計算得到不同進速因數下的螺旋槳槳葉的推力和扭矩值, 換算得到推力因數KT和轉矩因數KQ並與試驗值6 進行比 較，其中，KT=F/pn2D4KQ=M/pn2D5式中:F和M分別為螺旋槳槳葉的推力和扭矩值.由圖3可知，計算所得的推力因數與試驗值在進速因數低於0.833時吻合較好，而轉矩因數與試驗值誤差始終很小，可見雖然計算中采用的RANS方法未能考慮槳葉周圍的流場從層流向 湍流的過渡，但對本文的計算精度影響很小.2船用螺旋槳水動力性能

9、計算及分析2.1螺旋槳三維模型螺旋槳槳模的幾何尺度如下：葉片數Z二5 ,螺旋槳直徑d二3 800 mm ,旋轉速度r/min.將螺旋槳槳葉的切面型值坐標 轉換為三維空間坐標，隨後在CATIA中建立槳葉各切面的樣條 曲線，最後由各切面的樣條曲線生成槳葉葉面采用前述的相同 方法求解螺旋槳的黏性流場，計算過程中各個參數設置與標準槳_致2.2不同螺距比下螺旋槳水動力性能 螺旋槳在3種不同螺距比下的推力因數和扭矩因數隨進速因數 的變化趨勢相同.(a) 推力因數分佈(b) 扭矩因數分佈螺旋槳的敞水效率q=KTJ/(2TTKQ)不同螺距比下的敞水效率 見圖5 ,可知，當此螺旋槳的螺距比為1.473及1.60

10、0時，在進 速因數J小於的區間內未達到其最大敞水效率，而當螺距比 為1.23時，此螺旋槳的最大敞水效率出現在進速因數0.95左右 處此外，該螺旋槳在螺距比為1.230的工況下，其在低進速因 數下的敞水效率雖高於另兩種螺距比工況，但當進速因數高於0.95後，其敞水效率隨進速因數的增大急劇下降.2.3不同螺距比下螺旋槳表面壓力因數當進速因數J二0.8時，不同螺距比下螺旋槳在其半徑比為r/R=0.35處的表面壓力因數Cp分佈見圖6.(a )螺距比為1.230時的壓力因數分佈(b )螺距比為1.473時的壓力因數分佈(c )螺距比為1.600時的壓力因數分佈通過控制雲圖每一級的數值可知，隨著螺距比的增

11、大，吸力 面上的負壓因數逐漸增大，且負壓區向導邊方向靠近.2.4不同螺距下螺旋槳尾流J=0.8時螺旋槳尾流情況見圖7螺旋槳對流場的抽吸作用使螺旋槳尾流的外直徑小於螺旋槳的直徑，在同一螺距下，螺旋槳 的尾流螺距隨進速因數J的上升而增大，由圖7可知，在不同螺 距下螺旋槳的尾流螺距隨螺旋槳螺距比的增大而增大.(a)螺距比 為1.230(b)螺距比為1.473(c)螺距比為1.600圖7J=0.8時螺旋 槳尾流情況Fig.7Propeller wake flow when J二0.83結論(1) 對某標準槳葉的敞水性能進行數值模擬，結果與試驗值吻合較好，驗證通過求解RANS方程模擬螺旋槳黏性流場方法的

12、 可行性.(2) 通過求解RANS方程對某船用螺旋槳進行水動力分析，計 算螺旋槳在3種不同螺距比工況下的敞水性能，可知螺旋槳在不 同螺距工況下，其推力因數和扭矩因數隨進速因數的變化規律相 似，但敞水效率差異較明顯不同螺距下螺旋槳表面的壓力因數 分佈以及螺旋槳的尾流情況也略有不同.(3) 本文未考慮螺旋槳的空化現象，而在螺旋槳的某些工況下，空化現象的確存在，此點有待進一步研究參考文獻:1 The 22nd ITTC Propulsion Committee Workshop.Propeller RANS/Panel methods R . Grenoble, France, 1998:23.2

13、YANG C J , WANG G Q , KOIZUKA H . Study onperformanee and spindle torque of CPP J J Soc Naval ArchWest-Jpn, 1994(87): 27-37.3董世湯，唐登海，周偉新.CSSRC的螺旋槳定常面元法J .船舶力學，2005, 9(5): 46-60.DONG Shitang, TANG Denghai, ZHOU Weixin. Panel method of CSSRC for propeller in steady flows J . J ShipMeeh, , 2005, 9(5):

14、46-60.4 李巍，王國強，汪蕾.螺旋槳黏流水動力特性數值模擬J .上海交通大學學報，2007, 41(7): 1200-1204.LI Wei, WANG Guoqiang, WANG Lei. The numerical simulation of hydrodynamic characteristics in propeller J JShanghai Jiaotong Univ, 2007, 41(7): 1200-1204.5 王福軍.計算流體動力學分析:CFD軟件原理與應用M.北京：清華大學出版社,2004: 7-13.6 KOYAMA Koichi. Comparative calculations ofpropellers by surface panel method J . Papers Ship Res Inst, 1993, 15(S1): 57-66.(編輯於傑)