周軍偉,梅 蕾,倪豪良

(哈爾濱工業(yè)大學(威海) 船舶與海洋工程學院，山東 威海 264209)

大尺寸螺旋槳空化引起槳葉非定常力的數(shù)值模擬

周軍偉,梅 蕾,倪豪良

(哈爾濱工業(yè)大學(威海) 船舶與海洋工程學院，山東 威海 264209)

對某實槳在均勻流場中的空化現(xiàn)象進行模擬，采用基于混合網(wǎng)格的Ansys/CFX對流場進行求解，結果顯示，由于所處位置的靜壓力不同，不同槳葉的空化程度差異顯著，空化面積出現(xiàn)周期性變化；在空化初期，槳葉非定常力不明顯，而隨著空泡數(shù)的減小，槳葉非定常力幅度逐漸增大，說明實槳尺度對槳葉空化的激振力具有較明顯的影響。

螺旋槳空化；槳葉非定常力；均勻流場；靜壓力差

螺旋槳工作時擾動來流，不可避免地引發(fā)噪聲，尤其是當空化發(fā)生后，噪聲明顯提高。引起空泡噪聲的主要因素有空泡的生成與潰滅[1]，以及空泡導致的槳葉表面壓力脈動[2-5]。然而，空泡導致的槳葉表面壓力脈動不僅直接輻射噪聲，也會激勵槳葉振動而引發(fā)槳葉振動噪聲。但到目前為止，關于空泡引起的槳葉振動噪聲少見報道。

目前，槳葉振動噪聲問題的分析方法主要有2種：①考慮流場和槳葉之間的耦合作用，而忽略流場和聲場的耦合作用[6-8]。事實上，由于流場和聲場的特征速度相差較大，這樣的處理是合理的。②對流場、聲場及槳葉響應單獨進行分析[9-15]。這種方法僅適用于槳葉所受非定常力的頻率與槳葉固有頻率相差較大的情況。為此，本文即從流場和槳葉的單獨響應分析出發(fā),考慮到實際中大尺寸的螺旋槳，其工作過程中由于不同深度位置的靜壓力差別較大，其槳葉空化程度可能會隨螺旋槳轉動發(fā)生周期性的變化，進而會引起槳葉上的非定常力的變化，對槳葉噪聲產生影響，采用數(shù)值方法，模擬了一臺實槳在空泡發(fā)生后的槳葉所受非定常力情況，并對其受力特征進行了分析，探討了大尺寸螺旋槳槳葉位置靜壓力變化對槳葉非定常力的影響，對實槳空化噪聲的研究提供基礎。

1 槳模

所用的是一臺直徑3.55 m的螺旋槳，采用非等螺距設計，其0.75R處的螺距比為0.803。螺旋槳外觀見圖1，其槳葉幾何參數(shù)見表1。

圖1 槳模外觀

r/RLchord/DLskew/DP/D0．180．1840．0000．7670．200．190-0．0030．7720．230．198-0．0060．7770．250．206-0．0100．7830．280．215-0．0140．7880．300．223-0．0170．7920．350．239-0．0240．8010．400．256-0．0300．8100．500．288-0．0380．8200．600．315-0．0350．8180．700．329-0．0150．8110．750．3310．0010．8030．800．3250．0210．7890．850．3090．0460．7680．900．2810．0740．7370．950．2340．1050．7030．980．1840．1210．6850．990．1280．1320．674

注：Lchord-弦長；Lskew-翼型偏離弦向中點的距離。

為了方便數(shù)值模擬，其幾何模型進口端也采用了導流罩的設計。

2 計算設置

為了模擬實際的螺旋槳工作環(huán)境，即槳葉在最上方位置時的環(huán)境壓力較低，而在最下方位置時的環(huán)境壓力較高，計算中計入了位置的影響。螺旋槳轉軸沿水平方向，不同深度h下的環(huán)境壓力按p=p0+ρgh計算。由于槳葉的浸深在轉動過程中隨時間不斷變化，其空化程度也是不斷變化的。計算中通過改變槳軸浸入深度來調整空泡數(shù)。

整個流域網(wǎng)格分為無窮遠處的靜止域和螺旋槳周圍的轉動域2部分，通過滑移面連接。槳葉表面采用混合網(wǎng)格，見圖1，其在導邊、隨邊、槳梢和根部導圓位置采用結構化網(wǎng)格，而在槳葉表面和輪轂表面采用非結構網(wǎng)格，這樣能夠保證在較少的網(wǎng)格數(shù)下實現(xiàn)對邊緣流動的更精確模擬。槳葉表面第一層網(wǎng)格設置為10-5。靜止域和轉動域的整體網(wǎng)格見圖2。在定常情況下的計算性能和實驗性能的對比見圖3，二者結果基本吻合。

圖2 計算域的網(wǎng)格

圖3 螺旋槳性能試驗和數(shù)值模擬結果對比

為了分析不同空泡數(shù)下的槳葉受力情況，螺旋槳在固定轉速和進速下工作，轉速為4.6 r/s，進速Va=8 m/s，此時進速系數(shù)J=0.49，推力系數(shù)kt=0.177，轉矩系數(shù)kq=0.023，敝水效率ηo=60.0%。計算中首先是無限水深下的模擬，得到無空泡性能，而后逐漸減小槳軸浸深，得到不同空泡數(shù)下的流場和槳葉受力情況。不同槳軸浸深hs下的空泡數(shù)σ見表2。空泡數(shù)定義為

(1)

式中：p0按105Pa計；pv按3 280 Pa計；水的密度ρ為997 kg/m3。

表2 槳軸浸深與對應空泡數(shù)

3 結果與分析

3.1 空泡數(shù)對性能的影響

不同空泡數(shù)下的螺旋槳推力系數(shù)kt和ηo效率見圖4?？梢钥闯?，隨著空泡數(shù)的增大，槳葉空泡現(xiàn)象將逐漸消失，但其推力并不是單調增加，而是存在一個最大推力點，該螺旋槳最大推力出現(xiàn)在σ=0.146的位置。這種現(xiàn)象與文獻[16-17]的計算結果十分類似，其結果也在σ=0.183的位置出現(xiàn)一個效率最高點。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是空泡避免了槳梢吸力面壓力的進一步降低，減小了葉背與葉面的壓力差，從而減輕了繞流損失，而此時空泡本身引起的損失較小。而隨著空泡的繼續(xù)發(fā)展，空泡損失變得更大，螺旋槳性能開始降低。

圖4 J=0.49時不同空泡數(shù)下的推力系數(shù)和敝水效率

3.2 槳葉表面空泡情況分析

圖5展示了空泡數(shù)σ=0.146時，處于不同位置的各個槳葉上的空泡面積，深色為空化區(qū)域，淺色為未空化區(qū)域?？梢钥闯?，0°槳葉浸深最小，其空化面積最大，而180°槳葉浸深最大，其空化面積最小。槳葉位置對實槳空化的影響十分明顯。

圖5 σ=0.146，J=0.49時槳葉吸力面的空泡區(qū)域

90°與270°槳葉雖然浸深相近，但二者并不完全對稱，其空泡形狀略有差別。各空泡數(shù)下不同位置的槳葉空化情況見圖6。在空泡數(shù)較低的幾個工況下，包括σ=0.108、σ=0.131、，90°與270°槳葉空化區(qū)域都有明顯的差別，而在空泡數(shù)較大的幾個工況下，包括σ=0.183、σ=0.257，二者的空化區(qū)域基本相同。

圖6 不同空泡數(shù)下、不同位置槳葉上的空化情況

從圖6中還可以看出，在較小空泡數(shù)的幾個工況下，0°與180°槳葉的空化面積差別明顯；而在較大空泡數(shù)的幾個工況下，二者差別較小。從以上分析可以得出，重力對不同槳葉空化的影響主要發(fā)生在空泡數(shù)較低、空化現(xiàn)象較劇烈的情況下，而在空化起始階段其影響較小。

3.3 激振力分析

3.3.1 幅度及周期分析

由于相同工況下每個槳葉的受力僅在相位上有所差別，圖7a)僅列舉了單槳葉在7個空泡數(shù)下的受力隨時間的變化。從圖7b)中可以看出，隨著空泡數(shù)的降低，槳葉上的激振力幅度越來越大，平均值逐漸降低，而周期基本不變。與圖6對比表明，槳葉上激振力隨時間的變化基本與槳葉表面空化情況相對應。槳葉負荷受空泡面積的影響，在空泡數(shù)較小的情況下，槳葉表面空泡面積隨轉動變化明顯，此時激振力較大，而在空泡數(shù)較大的情況下，槳葉表面空泡面積隨轉動變化不大，因而激振力較小。由此認為，當空泡數(shù)較小時，實槳在空化情況下所受激振力主要受位置靜壓力差的影響，而在空泡數(shù)較大時，其影響并不明顯。

圖7 不同空泡數(shù)下的單槳葉所受軸向激振力

3.3.2 頻率分析

圖8給出了σ=0.108與σ=0.146 2個典型情況下槳葉所受激振力的頻譜分析，分別代表了較小空泡數(shù)和較大空泡數(shù)2種情況。從圖8可以看出，2個情況下的激振力頻率都主要集中在低頻段，且頻率與槳葉轉動頻率一致。圖8b)中還存在1個高頻激振力，這可能是流場中湍流或非定常渦引起的。此外，圖8a)中僅存在1個頻率，這表明槳葉受力幾乎是正弦的，而圖8b)中存在1個二階頻率，更高階頻率則不明顯。

圖8 不同空泡數(shù)下槳葉所受激振力的頻譜分析

3.3.3 合力分析

以上分析的都是空化時槳葉軸向受力的變化情況，而在實際情況中，單個槳葉是在所受合力的作用下發(fā)生振動的。為了對比單槳葉所受合力與軸向力隨時間的變化特點，給出4個空泡數(shù)下的對比見圖9?？梢钥闯觯瑔螛~所受合力的變化趨勢與幅度與軸向力基本一致，二者僅在平均值上有所差別，這也反映了槳葉所受激振力主要是軸向力分量的影響。

從圖9中還可以看出，隨著空泡數(shù)的增加，二者的平均值差值逐漸增大。由于槳葉受合力是軸向力和切向力的合成，可見隨著空泡數(shù)的增大，空泡對切向力的影響逐漸減小，切向力的恢復比軸向力要快，這一點也可以從圖4中效率逐漸提升的趨勢上看出。

圖9 軸向力(粗)與合力(細)的對比

對比圖9中σ=0.108、σ=0.131與σ=0.146三個工況的槳葉受力變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在較小空泡數(shù)時，如σ=0.108，槳葉受力變化曲線近似為正弦曲線，即推力變化僅與所處位置有關；而在σ=0.131和σ=0.146，從圖9能夠明顯看出，推力增加較快而降低較慢，曲線不再是正弦曲線，這說明推力不完全由所處位置決定。由于推力大小與空泡面積相關，可以推斷空泡面積不完全由槳葉所處位置決定，或者說在螺旋槳轉動過程中，空泡面積的變化具有一定的遲滯性。

螺旋槳整體受力變化見圖10。由圖10可見，螺旋槳整體受力基本不變，即空泡對螺旋槳軸的非定常力作用很小。

圖10 螺旋槳全槳軸向力隨時間的變化

4 結論

1)槳葉位置靜壓力差對槳葉激振力有明顯影響，主要發(fā)生在空泡數(shù)較低、空化現(xiàn)象較劇烈的情況下，而在空化起始階段其影響較小。

2)單槳葉上軸向激振力振幅的變化基本與槳葉表面空化情況相對應，激振力頻率都主要集中在低頻段，且頻率與槳葉轉動頻率一致。

3)單槳葉所受合力的變化趨勢和幅度與軸向力基本一致，二者僅在平均值上有所差別，但該合力對螺旋槳槳軸作用很小。

本文僅針對某一大直徑的實槳展開，結論可能存在一定局限性。今后將對系列尺寸的實槳進一步展開尺寸對槳葉空化非定常力的影響，并對其產生的噪聲進行分析。

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Simulation of Unsteady Force on Blade Induced by a Scaled Propeller Cavitation

ZHOU Jun-wei, MEI Lei, NI Hao-liang

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai Shandong 264209, China)

The cavitations phenomenon of a real propeller in a uniform flow field was simulated, in which the convection field is solved by Ansys/CFX based on the hybrid grid. The results showed that the cavitation area of the propeller blades varies periodically with the static pressure at different position. At the early stage of cavitation, the unsteady force on blade is not obvious, but with the decrease of cavitation number, the unsteady force amplitude increases gradually. So the size of the real propeller has a significant effect on the exciting force of the blade cavitation.

propeller cavitations; unsteady force on blade; uniform flow; static pressure difference

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.004

2015-12-18

國家自然基金(51309070)； 山東省科技廳項目(2013GGA10065)

周軍偉(1981—)，男，博士,副教授

U661.31；U664.33

A

1671-7953(2016)06-0015-05

修回日期：2016-05-26

研究方向:船舶推進器性能研究、葉輪機設計及分析

E-mail:zhou_junwei@foxmail.com