基于CFD的导管桨叶梢与内壁间隙对水动力性能影响分析

2022-04-29 14:35:02 | 浏览次数：

摘要：运用计算流体力学软件Fluent对粘性流场中导管螺旋桨的流场进行了计算分析，获得了导管螺旋桨敞水状态下的水动力性能曲线。改变螺旋桨叶梢与内壁的间隙△（△= 0， 0.025R， 0.05R），分别计算导管桨的水动力性能，计算结果表明：导管螺旋桨的叶梢与导管内壁间隙越小，导管螺旋桨的推进效率越高。

关键词：导管螺旋桨；CFD；水动力性能

中图分类号：U664.3 文献标识码：A

1 前言

导管螺旋桨亦称套筒螺旋桨，它是在螺旋桨的外围加上一个环行套筒而构成，是一种特种推进器。由于它具有在海上航行时受外界海况变化影响较小，导管对螺旋桨具有保护作用且使航向稳定性得到显著改善等优点，现在在商船上也得到很多应用。但相对非导管螺旋桨，其效率要低一点。导管螺旋桨的导管与桨之间存在间隙，工程上间隙的取值大小需要考虑满足轴系变形、振动、加工、安装精度等因素。

近年来，由于数值模拟相对于实验研究有很独特的优点，比如成本低，周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态。CFD技术广泛运用于流体数值模拟，其良好的适应性，较高的准确性[1]，逐渐成为流体动力学研究的重要工具，且其应用领域也逐渐扩大。因此，本文采用Fluent软件对导管螺旋桨进行CFD计算，分别计算螺旋桨叶梢与内壁的间隙△=0.025R， 0.05R时，导管螺旋桨的水动力性能曲线。

2 CFD计算模型与计算方法

2.1 控制方程[2] 及数值计算方法

对于导管螺旋桨的桨叶相对于导管的旋转运动可以视为不可压缩流体的三维非定常流动，因此可以用雷诺平均动量方程描述：

（1）

式中：ρ为流体密度；为雷诺应力。根据Boussinesq提出的涡粘假定，建立了Reynolds应力相对于平均速度梯度的关系：

（2）

式中：μt是湍流粘滞系数。它是湍动能k和湍流耗散率系数ε的函数。

本文非定常湍流计算采用RNGk-ε双方程模型，即重正化群使雷诺平均方程封闭，其形式如下：

（3）

（4）式中：Gk为梯度变化引起的湍动能；Gb为浮力变化引起的湍动能。

RNGk-ε双方程模型与标准k-ε模型相比，通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，能够更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动，因此更适合高速旋转导管桨这种复杂流动的过程。在近壁区使用速度分布对数律的固壁函数。

采用Fluent软件对导管螺旋桨进行CFD计算中，非定常湍流计算利用分离式求解器采用二阶隐式时间推进法，壁面处采用标准壁面函数处理。控制方程在时间和空间上都进行离散。空间离散使用有限体积法将控制方程转化为可计算的代数方程。有限体积法是在每个计算单元上对控制方程进行积分，离散后的方程体现了在每一计算单元上的流场参数。时间离散包括每一项在一个时间步长内不同方程的积分。压力项采用二阶中心差分格式，其它项采用二阶迎风差分格式。滑移网格采用moving mesh模型。

2.2 计算模型[3] [4] [5]

导管螺旋桨主要尺度、主要参数：直径 D=2.000 m；螺距比 H/D=0.900；盘面比 Az/A=0.700；毂径比 d0/D=0.167；叶片数 Z=4；后倾角 ε=0；桨型 Ka4—70。导管剖面型式为19A型、弦长为1.00（m）、桨叶与导管间隙△分别为 0， 0.025R， 0.05R。导管螺旋桨几何模型如图1。

计算域为圆柱体形，计算域半径Ra为4（m）、螺旋桨盘面处前长度Lf为4（m）、螺旋桨盘面处前长度Lr为6（m）。网格划分是CFD模拟过程中最重要的环节，也是直接影响模拟精度和效率的关键因素之一。网格过疏往往会得到不精确的结果，网格过密又会导致计算量增大及计算难以收敛。本文在对内部计算域划分网格中，为了较好的划分螺旋桨叶梢处以及曲率较大部位的网格，定义了函数Function{start size 12， growth size 1.4 size limit 20}，内部计算域网格划分结果如图2，其网格总数为61.1万。外部计算域网格划分结果如图3，其网格总数为58.6万。为了更好的数据交换，对定义的前后interface面均采用规则划分。

在螺旋桨的敞水计算中，整个计算区域均相对某个参考坐标系作旋转运动，而螺旋桨周围不存在相互干扰的物体，因此可选用Fluent软件提供的运动参考坐标系模型（即MRF模型）。在进口边界处设置为速度进口条件，给定均匀来流的各速度分量；由于流动出口的速度和压力在解决流动问题之前是未知时，出口边界定义为质量出口边界；圆柱体表面设为壁面；壁面设为无滑移固壁条件。计算域中的内部计算域的流体则按MRF模型，设置为绕轴以角速度行旋转，角速度为5 r/s。

3 导管与叶梢之间的间隙对水动力性能的影响分析

3.1 不同间隙时导管螺旋桨水动力性能的计算

为了研究导管与叶梢之间的间隙大小对导管螺旋桨的水动力性能的影响，分别取导管与桨叶叶梢之间的间隙大小为0、0.025R、0.05R进行计算。导管螺旋桨的水动力性能系数的变化曲线如图4至图8。

3.2 导管与叶梢之间的间隙对水动力性能影响分析

导管与叶梢之间的间隙的变化，导致导管与螺旋桨之间的诱导速度的不同，从而改变导管螺旋桨整体的水动力性能。导管螺旋桨的叶梢与导管内壁间隙越小，则因间隙引起的效率损失也越小，效率越高。

4 结论

导管与桨叶叶梢之间的间隙的变化，导致导管与螺旋桨之间的诱导速度的不同，从而改变导管螺旋桨整体的水动力性能。导管螺旋桨的叶梢与导管内壁间隙越小，则因间隙引起的效率损失也越小，效率越高。

一般导管与叶梢之间的间隙取较小的值时性能较好，工程上在满足轴系变形、振动、加工、安装精度等的前提下，间隙越小，水动力性能越好。因此，船舶导管螺旋桨偏重时，不能采用切割直径的方法减轻主机的负荷，只能采用切割随边的办法。

参考文献

[1] 欧礼坚，安源. 基于CFD的船舶导管螺旋桨的水动力性能研究[J]. 科学

技术与工程， 2010（10）： 5352-5356.

[2] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社， 2004.