姜東栓

摘 要：以 MAU 型槳作為研究對(duì)象，通過數(shù)值模擬方法，以質(zhì)量守恒定理及動(dòng)量守恒定理為基礎(chǔ)，建立不可壓縮流體的控制方程，計(jì)算螺旋槳在敞水中的受力情況。本文數(shù)值計(jì)算采用湍流模型和 SIMPLE算法，分析推進(jìn)器在不同進(jìn)速系數(shù)下，推力、扭矩與表面壓力變化分布特點(diǎn)。運(yùn)用計(jì)算軟件FLUENT，對(duì)螺旋槳的尾流場進(jìn)行模擬計(jì)算，展示其敞水性能的數(shù)值計(jì)算結(jié)果并與水池敞水試驗(yàn)值對(duì)比，對(duì)常規(guī)螺旋槳在粘性流場中受力直觀體現(xiàn)，并校驗(yàn)了CFD技術(shù)在粘性流場計(jì)算中的可靠性。

關(guān)鍵詞：粘性流場；螺旋槳；FLUENT；可靠性

中圖分類號(hào)：U664.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）07-0043-02

因螺旋槳復(fù)雜的幾何形式及流場的多變性，導(dǎo)致流體分離、漩渦等多種不可預(yù)測現(xiàn)象的發(fā)生，面對(duì)復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過求解描述流動(dòng)過程的微分方程式進(jìn)行解析將是一項(xiàng)極為困難的工程。大多數(shù)流場研究中，對(duì)于螺旋槳流場理論研究工作，基本采用勢流方法；隨著粘流理論及流體仿真技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)用商用流體模擬軟件對(duì)粘性流場進(jìn)行模擬。螺旋槳粘流問題可作為一種不可壓情況，其計(jì)算難點(diǎn)即壓力場的確定。通常流體解析方程多為非線性，自變量較多，計(jì)算域幾何形狀任意，邊界條件情況復(fù)雜，對(duì)這些無法直接求得解析解的問題方程，用數(shù)值方式則能化解此類問題。

1 控制方程

假定流體不可壓，來流為以定常速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)，螺旋槳保持相對(duì)旋轉(zhuǎn)速度為0，在螺旋槳周向的轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域保持一定轉(zhuǎn)速，建立流場控制方程如下：

2 幾何模型建立

將螺旋槳參數(shù)采用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成txt格式數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Fluent 軟件配套的前處理器 Gambit軟件 ，建立三維幾何建模。運(yùn)用樣條曲線方法在 Gambit 中連接各個(gè)截面上的型值點(diǎn)，從而建立螺旋槳三維的表面外形。建立的螺旋槳的三維模型如圖1所示。

計(jì)算域的外邊界面在槳體外流面無窮遠(yuǎn)處，內(nèi)邊界取在槳葉和槳轂外的外表面上，槳轂中心可以簡化為圓柱體，圖 2 為螺旋槳計(jì)算域體網(wǎng)格。為了提高計(jì)算結(jié)果精度，整個(gè)大域劃分成幾個(gè)小域，便于在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)局部網(wǎng)格進(jìn)行加密。

3 結(jié)果分析

為檢驗(yàn)FLUENT軟件在分析螺旋槳的粘性水動(dòng)力性能結(jié)果的可靠性，將數(shù)值計(jì)算所得的螺旋槳的敞水性能與模型在水池敞水試驗(yàn)的結(jié)果比較。進(jìn)速系數(shù)、推力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別定義如下：

螺旋槳推力系數(shù)：

扭矩系數(shù)：

在給定進(jìn)速系數(shù)J=0.102 、J=0.204、 J=0.306 、J= 0.408、J= 0.510、J= 0.612、J= 0.658下，對(duì)52000DWT油輪螺旋槳進(jìn)行數(shù)值計(jì)算， 對(duì)比結(jié)果如圖3所示，螺旋槳水池敞水試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真軟件計(jì)算結(jié)果非常接近，KT和KQ的最大誤差分別不超過 8%和7.5%?？梢娐菪龢M(jìn)速系數(shù)越大，計(jì)算值與試驗(yàn)值偏差也越大。

在槳盤面以內(nèi)部分，流體的流動(dòng)形態(tài)較為復(fù)雜；在槳盤面以外部分，流體的流動(dòng)較為規(guī)律，速度等值線近乎圓形；這說明螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)所影響流體區(qū)域主要在槳盤面以內(nèi)部分。圖4給出在設(shè)計(jì)工況下（J=0.658）槳葉處的流動(dòng)情況示意圖，較為直觀的看到流動(dòng)從梢部泄露后的流動(dòng)規(guī)律及葉根處的流動(dòng)。

圖5給出在設(shè)計(jì)工況下（J=0.658），槳葉背上壓力系數(shù)分布圖。從分布圖可看到，分布于葉背中部的受力比較均勻；葉背梢部附近壓力最低，也是最容易產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。

圖6給出設(shè)計(jì)工況下（J=0.658），在不同徑向位置上葉表面壓力系數(shù)。從圖中可以看出葉面上流動(dòng)信息預(yù)報(bào)精度略好；葉根處槳葉葉背的數(shù)值預(yù)結(jié)果不太理想，其原因可能為葉背附近出現(xiàn)的流體分散情況，方程無法捕捉并進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；其次，網(wǎng)格疏密對(duì)計(jì)算精度也是影響數(shù)值精度的因素之一。圖7給出r/R為0.9時(shí)（靠近葉梢）的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以預(yù)測到，槳葉導(dǎo)邊的駐點(diǎn)位置；在葉梢部位，葉面壓力明顯高于葉背，表明葉梢受壓較大。

4 結(jié)束語

通過FLUENT軟件考察，在不同進(jìn)速系數(shù)下的扭矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)KT與水池試驗(yàn)結(jié)果相比較誤差不會(huì)超過8%，預(yù)報(bào)螺旋槳的性能較為可靠，說明其具有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)簡要分析螺旋槳周圍流場，以進(jìn)度系數(shù)J=0.568為例給出了詳盡的微觀流動(dòng)信息，揭示空泡最可能在螺旋槳上所發(fā)生的區(qū)域，還可以清楚的看到葉梢區(qū)域附近流線的變化情況，為今后螺旋槳選型、優(yōu)化提供了重要的依據(jù)。

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