程洪凱，胡 義

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

船舶螺旋槳是現(xiàn)代船舶應用最廣泛的推進器，作為船舶動力裝置的重要部件之一，其性能的優(yōu)劣是船舶能否達到航行要求的關鍵因素[1]。船舶螺旋槳由主機提供動力，通過螺旋槳的旋轉產生推力使船舶航行，提高螺旋槳的性能和效率，對船舶航行以及作業(yè)有著重要的意義。通過敞水實驗對螺旋槳水動力特性進行研究，即螺旋槳性能預報問題:根據(jù)給定螺旋槳的幾何形狀和運轉條件，預報螺旋槳水動力特性系數(shù)[2]，為船機槳匹配提供理論基礎和依據(jù)，是船舶設計及航行主要參考條件之一。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，采用計算流體力學(CFD)方法獲得螺旋槳水動力性能成為主流方法，在保證計算精度的前提下大大縮短計算周期[3]。需要進行不同進速系數(shù)情況的仿真計算，重復設定邊界條件和模型修改，過程繁瑣復雜，需要一定的理論學習基礎和較高的CFD軟件操作水平。故提出將螺旋槳性能預報分析過程實現(xiàn)參數(shù)化設計的思路，螺旋槳性能預報分析過程中涉及到的各類尺寸值、條件設定值等，視為可變參數(shù)；流程中其他命令信息，視為不變參數(shù)。修改可變參數(shù)并對不變參數(shù)維持不變，實現(xiàn)對目標螺旋槳的建模、計算，旨在降低工作量，提高工作效率。

本文選用功能強大、適用性更廣的Visual Basic語言[4]，以Visual Studio為工具，以ANSYS及Fluent為基礎，開發(fā)出參數(shù)化分析螺旋槳性能軟件，將不同處理模塊集成于一體，實現(xiàn)分析過程參數(shù)化。

1 螺旋槳性能預報分析

以某MAU型螺旋槳為例，進行螺旋槳敞水下的水動力特性分析，具體流程見圖1。

圖1 螺旋槳敞水特性分析流程

螺旋槳建模首先根據(jù)公式(1)，進行坐標參數(shù)轉換。然后將空間三維坐標導入建模軟件，創(chuàng)建關鍵點，將關鍵點連成線生成復雜葉面，形成螺旋槳實體模型。三維模型導入到網(wǎng)格劃分軟件后，根據(jù)實際需要，對三維模型進行網(wǎng)格劃分。

(1)

式中：X、Y、Z分別為螺旋槳空間三維坐標值；Ri為槳葉截面半徑；Y1為距母線距離；Z1為螺旋槳葉面和葉背切面坐標值；θ為螺旋槳后傾角；φ為螺距角。

網(wǎng)格，即在計算區(qū)域內一些列離散的點。計算流體力學通過將控制方程離散，使用數(shù)值方法得到網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)據(jù)(如速度、溫度、壓力等)，即數(shù)值解[5]。網(wǎng)格劃分的質量、數(shù)量和合理性會直接影響計算效率與計算結果的準確性[6]，網(wǎng)格劃分質量對流體流動的仿真模擬有很大影響。網(wǎng)格劃分完成后，網(wǎng)格文件導入Fluent，進行邊界條件設置和介質選取。介質選取是流域介質，邊界條件設定，包括進口速度、旋轉速度(槳的轉速)、選取旋轉軸和出口壓力設置等，進口速度Va根據(jù)公式(2)計算得出。

(2)

式中：Va為螺旋槳進速，m/s；D為螺旋槳直徑，m；nP為螺旋槳旋轉速度，r/s；J為進速系數(shù)。

Fluent仿真計算后，可以得到一個力T和力矩Q的值，可以理解為在某一進口速度情況下一組力和力矩的瞬時值[7]。根據(jù)公式(3)、(4)、(5)，可以計算出螺旋槳的推力系數(shù)KT和轉矩系數(shù)KQ以及敞水效率η。

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為水的密度，kg/m3。

不同進速條件下得出的螺旋槳推進特性值，與試驗結果對比，若誤差在允許范圍內，則仿真計算符合相關工程要求，獲得螺旋槳敞水下的水動力特性曲線。

2 軟件開發(fā)流程及關鍵技術

2.1 ANSYS的數(shù)據(jù)傳遞及調用

作為有限元分析領域的主流軟件之一，ANSYS提供了多種二次開發(fā)工具和模塊，即APDL、UPFs、UIDL以及Tcl/Tk。本文通過調用APDL(ANSYS Parametric Design Language) 命令流，調用ANSYS完成前處理建模、網(wǎng)格劃分工作。實現(xiàn)螺旋槳建模過程的參數(shù)化設計，將輸入?yún)?shù)轉化為APDL命令流形式，使參數(shù)數(shù)據(jù)以命令流形式體現(xiàn)。

螺旋槳模型從模型創(chuàng)建到網(wǎng)格劃分，到后處理求解等操作均在ANSYS的不同模塊實現(xiàn)，因此成功調用ANSYS是實現(xiàn)該步驟的關鍵，調用代碼為：

Dim X As String

X = Shell("D:Program FilesANSYS

Incv170ansysbinwinx64

ANSYS170.exe -b -p ansys -i "

& TBoxGUI.Text & " -o ANSYSOUT.out")

軟件開發(fā)流程圖見圖2。

圖2 軟件開發(fā)流程

2.2 Fluent的數(shù)據(jù)傳遞及調用

2.2.1 Fluent的調用

目前，對于船舶螺旋槳性能預報的研究，有以下幾種研究方式，槳模實驗法、數(shù)值理論分析計算法和計算流體力學(CFD)預報法。3種方法針對不同的角度進行螺旋槳性能參數(shù)的研究，從而實現(xiàn)相互印證和補充，螺旋槳性能參數(shù)計算方法比較見表2。綜合各方面因素，也隨著計算機技術的長足發(fā)展，CFD技術逐漸成為主流途徑。

表2 螺旋槳性能參數(shù)計算方法比較

本文選取Fluent為后處理模塊，能否成功調用Fluent進行仿真求解是實現(xiàn)目標的關鍵步驟。通過以下方式實現(xiàn)調用：

1)運行批處理文件(.bat)，喚醒Fluent軟件識別并讀取日志文件(.jou)，按照命令完成處理和計算。實現(xiàn)代碼如下：

Dim tempString As String

tempString =Application.StartupPath & "GoFluent.bat"

Process.Start(tempString)

批處理代碼：

"D:Program FilesANSYS Incv170fluentntbinwin64fluent.exe" 3d -i solve.jou

2)原理與上述調用ANSYS模塊相同，故此處不再做詳述。

2.2.2 ANSYS與Fluent的數(shù)據(jù)傳遞

Fluent能識別各類CAD/CAE軟件導入的網(wǎng)格文件，通過對導入文件的邊界條件設定、計算條件選取，完成對導入文件的計算求解。模型轉換流程見圖3。將已完成前處理操作的模型保存為.CDB文件。

圖3 ANSYS與Fluent模型數(shù)據(jù)傳遞流程

2.3 開發(fā)軟件與工程軟件數(shù)據(jù)交互

本文將螺旋槳模型輪廓尺寸以及基本參數(shù)保存為數(shù)據(jù)庫文件(.mdb)，軟件連接數(shù)據(jù)庫，作為軟件修改參數(shù)與工程軟件數(shù)據(jù)交互的橋梁，為實際模型建立、網(wǎng)格劃分以及仿真分析提供數(shù)據(jù)。本文參數(shù)修改值與工程軟件數(shù)據(jù)交互思路為：開發(fā)軟件參數(shù)修改界面與數(shù)據(jù)庫建立雙向讀寫連接，通過開發(fā)軟件調用ANSYS 或 Fluent讀取數(shù)據(jù)庫參數(shù)數(shù)據(jù)，自動完成建模、畫網(wǎng)格及仿真分析等工作。

數(shù)據(jù)庫的連接、修改后的參數(shù)寫入以及參數(shù)數(shù)據(jù)文件的讀取，涉及到ADO.NET及SQL語言在.NET中的應用，是實現(xiàn)該功能的關鍵。本文以ACCESS數(shù)據(jù)庫作為讀寫對象，數(shù)據(jù)庫連接代碼如下：

Public connstr As String = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source=" & Application.StartupPath & "database.mdb"

讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，完成建模、網(wǎng)格劃分以及仿真計算的工作，軟件將參數(shù)修改界面輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，即完成對目標模型幾何特征的修改及邊界條件設定。

3 實際算例計算與結果驗證

本文以某MAU型螺旋槳為例，運用常規(guī)CFD技術和本文提出的參數(shù)化分析思路分別對敞水下的螺旋槳水動力特性進行預報分析，得到2組計算結果，分別與螺旋槳實驗數(shù)值進行比較，橫向對比2種方法的誤差，驗證該思路的可行性與科學性。參數(shù)化分析流程詳細操作見下文詳述。

3.1 螺旋槳ANSYS建模仿真及生成網(wǎng)格

在軟件參數(shù)修改界面，打開需要計算MAU型螺旋槳尺寸文件(.mdb)，詳細數(shù)據(jù)見表3，再按照表4，對相應的模型幾何參數(shù)值進行修改，即可完成螺旋槳建模。

表3 螺旋槳基本參數(shù)

表4 螺旋槳輪廓尺寸數(shù)據(jù)

根據(jù)相對運動原理，螺旋槳模型在軸向視為靜止，流體介質以速度V相對于螺旋槳模型作相對運動；在周向，假定水域以一定速度旋轉，而螺旋槳保持靜止[8]。進行螺旋槳敞水性能預報時，其流體數(shù)值計算流域應該相對于螺旋槳的直徑是無限大的，能更精確的模擬螺旋槳在流體中的旋轉運動狀況。實際計算中，在兼顧計算精確性的同時減少計算量，將流體模型分為2部分，即內部旋轉域(即文中小域)和外部靜止域(大域)，小域相對大域進行旋轉[9]。小域和螺旋槳視為整體，2個流場為相對靜止的運動關系，即小域和螺旋槳之間的相對速度為零。流場示意圖見圖4，圖中D為螺旋槳直徑。

圖4 螺旋槳流場示意圖及模型圖

本文采用分流域網(wǎng)格劃分方式。槳葉包含曲面較多，結構復雜，采用網(wǎng)格質量較高的六面體網(wǎng)格對槳葉進行劃分，加大網(wǎng)格密度；螺旋槳外旋轉域進行旋轉運動會導致流場劇烈變化，采用四面體網(wǎng)格對旋轉域進行劃分，適當加大網(wǎng)格密度；大域主要模擬流體流動，其網(wǎng)格要求略低，采用智能網(wǎng)格劃分方式，適當降低網(wǎng)格質量。這種網(wǎng)格劃分方式能提高計算精度，縮短計算時間。網(wǎng)格劃分命令流代碼如下：

esize,2

mshape,0,3d

mshey,1

vsel,s,volu,,2

vsel,s,volu,,1,3

vsel,s,volu,,4,5

vmesh,all

smartsize,8

vsel,s,volu,,6

vsel,s,volu,,7

cm,sphere,volu

vmesh,volu

3.2 Fluent仿真計算

將網(wǎng)格文件導入Fluent，進行介質選擇及邊界條件設定。本文選取穩(wěn)態(tài)(STEADY)情況，設定靜止域中流體工作介質為海水，為不可壓縮流體。選擇RNGk-ε湍流模型；螺旋槳和槳轂為給定無滑移固壁條件，出口壓力為零，選擇PERSTO!離散方式，考慮該型螺旋槳實際工作狀況，進速系數(shù)從0.2～0.7范圍依次選取。

3.3 計算結果驗證

根據(jù)上述設定條件，將獲得的計算結果與實驗結果對比分析，對比結果見圖5、圖6和圖7。

圖5 螺旋槳推力系數(shù)KT計算結果對比

圖6 螺旋槳轉矩系數(shù)KQ計算結果對比

圖7 螺旋槳敞水效率η計算結果對比

圖5、6、7計算結果對比分析，運用參數(shù)分析方法進行的螺旋槳性能預報結果，與常規(guī)CFD技術以及實驗結果數(shù)據(jù)之間的整體趨勢一致，且曲線吻合程度較高?？紤]到MAU型螺旋槳實際運轉狀況，當KT、KQ和η在進速系數(shù)J在0.2～0.7范圍之內，計算得出最大平均誤差不超過2.98%。本文提出的參數(shù)化分析方法對螺旋槳的性能預報符合相關要求，在分析過程中，該方法能節(jié)約近40%的時間。

4 結束語

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶螺旋槳研究工作將會成為一個涉及多學科的研究方向。本文提出的將螺旋槳性能預報分析過程實現(xiàn)參數(shù)化，將多類工程軟件集成與一體，操作界面更加直接友好，能夠降低工作量，提高傳統(tǒng)CFD技術的計算效率。經過上文實例計算驗證，該思路在保證計算結果符合要求的同時，還能節(jié)約大量的時間，證明該思路具有一定的實際應用和研究價值。

對于該思路的實現(xiàn)，本文尚存在一些不足之處。網(wǎng)格劃分參數(shù)化實現(xiàn)度較低，只能對不同域在孤立狀態(tài)下進行網(wǎng)格劃分，過渡區(qū)網(wǎng)格并不能進行自定義優(yōu)化，網(wǎng)格劃分結果理想度較差，會對計算結果造成一定的影響，尚需繼續(xù)攻克解決。