張文璨,董國祥,陳偉民,杜云龍,任???/p>
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點實驗室,上海 200135)
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螺旋槳四象限水動力性能數(shù)值計算
張文璨,董國祥,陳偉民,杜云龍,任???/p>
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點實驗室,上海 200135)
采用求解RANS方程的方法并運(yùn)用計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)軟件Fluent,對荷蘭MARIN船模水池B系列螺旋槳的敞水四象限水動力性能進(jìn)行CFD數(shù)值模擬;同時,將數(shù)值模擬結(jié)果與B系列螺旋槳敞水四象限試驗圖譜進(jìn)行比較。結(jié)果表明,計算誤差較小,驗證了計算策略的正確性,也為后續(xù)進(jìn)行螺旋槳四象限水動力性能研究打下了基礎(chǔ)。
B系列螺旋槳;四象限;水動力性能;數(shù)值模擬
敞水槳四象限(前進(jìn)中正車、前進(jìn)中倒車、后退中正車、后退中倒車)水動力性能數(shù)值模擬是當(dāng)前螺旋槳計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)研究熱點,但目前相關(guān)研究較少。由于螺旋槳四象限動態(tài)模型領(lǐng)域在表達(dá)上有困難,因此迄今為止船舶運(yùn)動仿真一般僅限于前向,即第一象限內(nèi)的航行。螺旋槳在反轉(zhuǎn)和反向制動時將進(jìn)入推力和扭矩的第二象限,而在船舶倒航時將進(jìn)入第三象限,這超出了一般螺旋槳圖譜的表達(dá)范圍,為螺旋槳逆轉(zhuǎn)工況下的運(yùn)動仿真帶來了一定的困難。進(jìn)行敞水槳四象限水動力性能研究不僅具有諸多理論意義,而且是解決諸多艦船操縱性和速航性課題(離靠泊、艦船避碰、各種特殊機(jī)動)的關(guān)鍵所在[1-4]。在該背景下,選取MARIN B系列螺旋槳中有代表性的螺距比P/D=1.0、盤面比AE/AO=0.7的四葉槳B4-7010,對其敞水四象限水動力性能進(jìn)行數(shù)值模擬,并將分析后的結(jié)果與B系列螺旋槳敞水四象限試驗圖譜進(jìn)行對比。結(jié)果表明:計算值與圖譜值有較高的貼合性,采取的計算策略是成功的。
1.1計算模型
以選取MARIN B系列螺旋槳中有代表性的螺距比P/D=1.0、盤面比AE/AO=0.7的四葉槳B4-7010為研究對象,計算采用模型尺度,槳模直徑D=0.2 m。B4-7010模型的幾何要素見表1。
表1 B4-7010模型幾何要素
圖1 B4-7010螺旋槳幾何模型
利用Fluent前處理軟件Gambit建立B4-7010螺旋槳的幾何模型(見圖1),具體步驟為:
(1) 螺旋槳二維幾何數(shù)值進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化,得到螺旋槳三維空間坐標(biāo)點,并將三維空間坐標(biāo)點文件導(dǎo)入到Gambit中;
(2) 遵循“由點生線、由線生面、由面生體”的原則生成螺旋槳實體。
1.2計算策略
1.2.1計算域及網(wǎng)格劃分
計算域為與螺旋槳同軸的圓柱體(圓柱體的高度和直徑分別)為螺旋槳直徑的30倍及10倍),其中:速度入口距離螺旋槳約7倍螺旋槳直徑;壓力出口距離螺旋槳約20倍螺旋槳直徑。
網(wǎng)格劃分是指計算區(qū)域的離散化,即將空間上連續(xù)的計算區(qū)域劃分為多個子區(qū)域,并確定每個區(qū)域中的節(jié)點。網(wǎng)格劃分的本質(zhì)是用有限個離散的點代替原來的連續(xù)空間。數(shù)學(xué)上,生成網(wǎng)格后(離散化后)連續(xù)的控制方程將被離散化,描寫流動和傳熱的偏微分方程將轉(zhuǎn)化為各個節(jié)點上的代數(shù)方程組。網(wǎng)格劃分是CFD數(shù)值計算過程中最重要的環(huán)節(jié),直接影響模擬的精度和效率。若網(wǎng)格過疏,則會導(dǎo)致模擬精度不高;若網(wǎng)格過密,則又會導(dǎo)致計算量增大及計算難以收斂[5-6]。
為便于進(jìn)行網(wǎng)格劃分,需要將無限流域流場空間劃分為多個小空間。計算空間域被分為外部計算域、過渡區(qū)和螺旋槳旋轉(zhuǎn)域等3個部分。
(1) 最外層為外部計算域,該區(qū)域中壓力和速度分布變化并不劇烈,主要反映導(dǎo)管螺旋槳的來流和尾流情況,因此可劃分較粗的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;
(2) 在外部計算域和螺旋槳旋轉(zhuǎn)域的過渡區(qū)中,速度壓力分布變化較為劇烈,需要加入較為細(xì)化的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;
(3) 在螺旋槳旋轉(zhuǎn)域中,速度壓力分布變化非常劇烈,應(yīng)采用比過渡區(qū)更加細(xì)致的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行計算。
在這3個區(qū)域中,外部計算域和過渡區(qū)均為靜態(tài)域,而螺旋槳旋轉(zhuǎn)域采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(Multiple Rotational Frame, MRF)模型,設(shè)置為繞x軸正方向旋轉(zhuǎn),角速度為20 r/s。
在進(jìn)口邊界處設(shè)置為Velocity-inlet條件;出口邊界定義為Pressure-outlet邊界;外部計算域圓柱體表面設(shè)為Symmetry邊界;所有壁面均設(shè)為無滑移固壁條件。
由于第一、二象限為前進(jìn),第三、四象限為后退,因此第一、二象限與第三、四象限的來流方向相反,同時螺旋槳旋轉(zhuǎn)域及外部計算域的網(wǎng)格劃分也會有些許差異。第一、二象限計算域網(wǎng)格劃分總數(shù)為1 817 278,其中內(nèi)部計算域網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為909 515,偏斜率>0.8的網(wǎng)格數(shù)為6,網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求;第三、四象限計算域網(wǎng)格劃分總數(shù)為1 594 806,其中內(nèi)部計算域網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為810 301,偏斜率>0.8的網(wǎng)格數(shù)為0,網(wǎng)格質(zhì)量同樣達(dá)到要求。
第一、二象限和第三、四象限計算螺旋槳旋轉(zhuǎn)域及全部計算空間域網(wǎng)格劃分情況見圖2和圖3。圖2、圖3中:Gx,Gy,Gz為O-xyz坐標(biāo)系中Ox,Oy,Oz坐標(biāo)軸的方向。
a) 螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分情況
b) 全部計算空間域網(wǎng)格劃分情況
1.2.2計算流體力學(xué)基本方程
連續(xù)性方程及動量方程分別為式(1)和式(2)。
(1)
(2)
1.2.3湍流模型
鑒于所模擬流場的特性,非定常湍流計算采用RNGk-ε雙方程模型。其形式如下[7]
(3)
(4)
1.2.4計算參數(shù)設(shè)置
計算時運(yùn)用SIMPLE半隱式連接壓力方程;梯度插值采用Green-Gauss Cell Based方案;壓力插值采用PRESTO!格式;動量、湍流動能及湍流耗散度的離散均選用二階迎風(fēng)差分格式[8]。
a) 螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分情況
b) 全部計算空間域網(wǎng)格劃分情況
2.1計算策略正確性驗證
無因次推力系數(shù)[9-10]為
(5)
無因次扭矩系數(shù)為
(6)
這些系數(shù)是水動力螺距角β的函數(shù)。
(7)
式(5)~式(7)中:T為螺旋槳推力;Q為螺旋槳扭矩;ρ為水的密度,取998 kg/m3;VA為進(jìn)速,單位為m/s;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速,取20 r/s;D為螺旋槳模型直徑,取0.2 m。
依據(jù)計算結(jié)果及式(5)~式(7),根據(jù)不同象限計算出每個進(jìn)速VA所對應(yīng)的水動力螺距角β、推力系數(shù)CT和扭矩系數(shù)CQ,見表2~表5。
表2 一象限計算數(shù)據(jù)分析結(jié)果
表3 二象限計算數(shù)據(jù)分析結(jié)果
表4 三象限計算數(shù)據(jù)分析結(jié)果
表5 四象限計算數(shù)據(jù)分析結(jié)果
根據(jù)以上數(shù)據(jù),繪制出B系列螺旋槳四象限水動力性能圖譜值和計算值曲線(見圖4)。
由圖4可知,圖譜值與計算值的貼合性較高,計算結(jié)果較為滿意,證明了所采取的計算策略的正確性。
2.2螺旋槳四象限水動力性能的影響分析
以VA=1.4 m/s時的工況為例,對4個象限的螺旋槳葉背、葉面壓力分布情況進(jìn)行分析,研究不同象限螺旋槳推力的變化情況。4個象限的螺旋槳葉背、葉面壓力云圖見圖5和圖6。
圖4 四象限水動力性能曲線圖
a) 一象限
b) 二象限
c) 三象限
d) 四象限
由圖5可知,螺旋槳葉背對一、四象限而言為吸力面;而對二、三象限而言為壓力面。吸力面壓力由葉根到葉梢及由導(dǎo)邊到隨邊均逐漸降低;而壓力面壓力由葉根到葉梢逐漸升高,二象限壓力由導(dǎo)邊到隨邊逐漸升高,三象限壓力則由導(dǎo)邊到隨邊先降低再升高,在葉面中部有一段徑向分布的低壓區(qū)。
由圖6可知,螺旋槳葉面對一、四象限而言為壓力面;而對二、三象限而言為吸力面。壓力面壓力由葉根到葉梢及由隨邊到導(dǎo)邊逐漸升高;而吸力面壓力由葉根到葉梢及由隨邊到導(dǎo)邊均逐漸降低。
利用RANS雷諾時均方程組對B4-7010螺旋槳的敞水四象限水動力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先,利用GAMBIT對螺旋槳進(jìn)行了三維建模;其次,對螺旋槳的計算域進(jìn)行了設(shè)計和網(wǎng)格劃分,并設(shè)置了合適的邊界條件;最后將其導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計算。由計算結(jié)果與圖譜值的對比可知,計算結(jié)果與圖譜有著較高的貼合性。這既證明了計算結(jié)果的精確性,又證明了所采用的計算策略的正確性。同時,為后續(xù)導(dǎo)管螺旋槳、可調(diào)螺距螺旋槳四象限水動力性能的研究打下了基礎(chǔ)。
a) 一象限
b) 二象限
c) 三象限
d) 四象限
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Numerical Simulation of Four-Quadrant Hydrodynamic Performance of Propeller
ZHANG Wencan,DONG Guoxiang,CHEN Weimin,DU Yunlong,REN Haikui
(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)
Four-quadrant hydrodynamic performance numerical simulation of open-water propellers is a hotspot in the field of propeller numerical simulation. However, there has not been much research work on the four-quadrant hydrodynamic performance of propellers published. Through solving RANS equations and using CFD software Fluent, CFD numerical simulation of MARIN series B propeller is carried out to investigate its open-water four-quadrant hydrodynamic performance. The simulation results are compared with the test-graph results to prove the validity of calculation strategy. This research may inspire further research on the four-quadrant hydrodynamic performance of propellers.
MARIN series B propeller; four-quadrant; hydrodynamic performance; numerical simulation
2015-07-31
張文璨(1990—),男,遼寧沈陽人,碩士生,主要從事船舶推進(jìn)器水動力性能研究。
1674-5949(2016)01-001-07
U661.31+3;U664.33
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