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        螺旋槳的快速建模及水動力性能預(yù)報研究

        2019-04-09 07:53:56柳堪樂賴海清李明敏方先進(jìn)
        廣東造船 2019年1期
        關(guān)鍵詞:螺旋槳葉面流體

        柳堪樂,賴海清,李明敏,方先進(jìn)

        (1.中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司陜西分公司,西安,710065 ;2.廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院,廣州 510250)

        1 前言

        螺旋槳幾何形狀復(fù)雜且有流體分離、漩渦等現(xiàn)象,使得流場中的流動結(jié)構(gòu)很復(fù)雜,無法通過求解描述流動過程的微分方程式得到解析。因此,長期以來螺旋槳試驗便成了研究螺旋槳水動力性能必不可少的手段,螺旋槳的敞水試驗主要是以各船模水池的螺旋槳設(shè)計圖譜為基礎(chǔ),進(jìn)行少量的修改和試驗來進(jìn)行螺旋槳的設(shè)計,進(jìn)而應(yīng)用在工程中,然而,螺旋槳模型試驗不僅周期長、費(fèi)用高,而且很難得到詳細(xì)的局部流場信息,存在很大的局限性。這樣的情況下,數(shù)值試驗的優(yōu)勢就表現(xiàn)出來了,隨著計算機(jī)性能的不斷提升以及計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展[1],利用計算機(jī)求解螺旋槳問題周期短、成本低、結(jié)果數(shù)據(jù)完整等優(yōu)點(diǎn)逐漸顯現(xiàn)出來,它能夠更加真實的模擬出實際螺旋槳的工作狀態(tài),因此,CFD 方法被廣泛的應(yīng)用于工程實踐中[2]。如何快速進(jìn)行螺旋槳的敞水性能預(yù)報,提高螺旋槳設(shè)計效率,已成為目前研究人員越來越關(guān)注的話題

        2 螺旋槳快速建模

        螺旋槳的曲面造型相對普通的曲面造型復(fù)雜,采用 PropCAD 軟件與犀牛軟件結(jié)合,可以實現(xiàn)螺旋槳的快速建模。PropCAD 是用于船舶螺旋槳數(shù)據(jù)建模、二維和三維視圖自動生成的軟件,軟件建立在CAD(IMSI 的可視CADD)基礎(chǔ)上,在螺旋槳設(shè)計功能中加入了大量有針對性的CAD 功能。使用其強(qiáng)大的繪圖功能,可以設(shè)計各種類型的螺旋槳。生成螺旋槳設(shè)計圖最簡單方法是使用軟件的Builder 功能,軟件包含了常用螺旋槳(如高恩系列、B 系列、Ka 導(dǎo)管系列、AU 系列和SK 系列)的資料庫,設(shè)計者只要輸入一些關(guān)鍵的參數(shù)就可以生成螺旋槳完整的幾何圖形。例如,輸入需要的盤面比,縱斜和側(cè)傾值及厚度分布規(guī)律,PropCAD 將生成螺旋槳的所有幾何參數(shù),包括弦長、葉厚度、側(cè)斜、縱傾和葉剖面型值,還可以對螺旋槳的幾何參數(shù)進(jìn)行自定義,設(shè)計出任意實際的形狀,自助修改螺旋槳各截面參數(shù)形成自定義螺旋槳模型(如圖1)。

        但是,PropCAD 導(dǎo)出的螺旋槳只是片體,其葉稍及槳轂處都是未封閉的曲面,為了形成完整封閉的三維模型,需要將模型輸出為犀牛軟件可讀取的TXT 文件格式。

        犀牛(Rhino)是美國Robert Mcneel & Assoc.開發(fā)的強(qiáng)大專業(yè)3D 造型軟件[3],它可以廣泛地應(yīng)用于三維動畫制作、工業(yè)制造、科學(xué)研究以及機(jī)械設(shè)計等領(lǐng)域。它能輕易整合3DS MAX 與Softimage 的模型功能部分,對要求精細(xì)、彈性與復(fù)雜的3D NURBS 模型,有點(diǎn)石成金的效能??梢暂敵鰋bj、DXF、IGES、STL、3dm 等不同格式,并適用于幾乎所有3D 軟件。

        在犀牛軟件中對螺旋槳的大致處理方法如下:

        (1)選擇工具——指令集——從文件中讀取,選擇PropCAD 導(dǎo)出的葉片和槳轂數(shù)據(jù)點(diǎn)TXT 文件。

        (2)選擇葉面與槳轂面,執(zhí)行圓角命令,連接槳葉與槳轂。

        (3)在槳轂面和葉稍上分別畫幾條連接葉面葉背的曲線,執(zhí)行邊緣曲線建立曲面命令,構(gòu)造出葉稍面,并連接葉面葉背。同理,合成與槳轂接觸的底面。

        (4)執(zhí)行組合命令,選擇葉面,葉背,及上一步驟新建的葉稍和底面,形成一封閉的曲面。至此,一片完整的螺旋槳葉片建模完成,最后進(jìn)行圓周陣列命令即可完成螺旋槳三維建模。如圖2 所示。

        2 螺旋槳水動力分析

        2.1 計算域及網(wǎng)格劃分

        計算域為一長、寬、高分別為50D、8D、8D的長方體,其計算區(qū)域如圖所示。計算域入口建立在螺旋槳前方10D 處,出口設(shè)置在螺旋槳后方40D 處,螺旋槳到上下左右邊界的距離均為 4D。在長方體計算域中另設(shè)有一圓柱體域,螺旋槳位于該域之中,該區(qū)域也稱為槳域,其中槳域入流面位于槳盤面上游0.3 R 處,槳域出流面位于槳盤面下游 0.3 R 處,圓柱體外徑為 1.2R。

        網(wǎng)格質(zhì)量直接決定模擬精度、收斂性和計算效率,因此應(yīng)對整個流域分析進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分,本課題研究所選用的網(wǎng)格是六面體切割Trimmer 體網(wǎng)格,六面體網(wǎng)格生成時所用的內(nèi)存與時間會較多,因此,若遇到計算量較大的模擬,就需要選用有足夠內(nèi)存的電腦劃分網(wǎng)格,方能順利處理完網(wǎng)格的制作。圖3 的網(wǎng)格示意圖可以看到空白部分為螺旋槳幾何,其他部分為流體區(qū)域,在螺旋槳與流體之間,應(yīng)有邊界層的現(xiàn)象,為了正確捕捉邊界層流體特性,在這里建立了邊界層網(wǎng)格,從螺旋槳幾何處開始生成漸層狀的邊界層網(wǎng)格。螺旋槳模擬中,槳葉是一個很重要的影響因素,因此在進(jìn)行體網(wǎng)格劃分時,對螺旋槳葉采用了局部加密處理,同時,為了更好的捕捉螺旋槳的所有外形特征,對其特征線均進(jìn)行了規(guī)整的特征線網(wǎng)格加密。在入口及出口處,采用了extrude model 拉伸模型,增加體網(wǎng)格,它允許從任何邊界進(jìn)行拉伸,形成規(guī)則的六面體網(wǎng)格,最終全計算域共270.5 萬個網(wǎng)格。

        2.2 邊界條件設(shè)定

        完整的網(wǎng)格建立完成之后,接下來是黏性流的計算設(shè)定,對于文中的螺旋槳計算,在此選用的紊流模型為k-e 模型,流體介質(zhì)為水,參數(shù)與水池環(huán)境保持一致,水溫為12.2 ℃,密度為998.914 kg/m3,運(yùn)動黏性系數(shù)為1.23E~06 m2/s。至于邊界條件的設(shè)定,可分為入流條件、出流條件、螺旋槳無滑動流體條件、流場邊界的壁面邊界條件,以及螺旋槳與流場間的交界面,在圖4 中標(biāo)示出各邊界條件,以下為各邊界條件的簡單敘述。

        本節(jié)中數(shù)值計算的邊界條件具體設(shè)置入下:入口邊界選用入流條件,根據(jù)選定的進(jìn)速VA,給定來流速度;出口邊界由于出口距離槳模足夠遠(yuǎn),選用零壓力梯度條件,出口處的壓力與前方某一點(diǎn)的壓力始終一致;槳域圓柱側(cè)面:選用內(nèi)部交流條件;螺旋槳及槳轂表面選用壁面函數(shù)[4];外邊界選用速度遠(yuǎn)場。給定均勻來流的來流速度作為數(shù)值計算的初始條件。各部分邊界及流域名稱如圖4 所示。

        2.3 CFD 計算分析

        船用螺旋槳的敞水效率曲線由不同進(jìn)速系數(shù)J 下的推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ及敞水效率η0繪制而成。其中,進(jìn)速系數(shù):,螺旋槳推力系數(shù):扭矩系數(shù):,效率:

        由于后續(xù)計算量大,通過定義J、KT、10KQ等函數(shù)(如圖5),可以實現(xiàn)進(jìn)速系數(shù)的自動更新,計算結(jié)束,再定義監(jiān)控曲線,達(dá)到自動導(dǎo)出無量綱量系數(shù)的功能,大大的減少了人為的干預(yù),有效的提高了工作效率。

        計算結(jié)束,得到J=0-0.784 的螺旋槳的推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水效率值η0,并將仿真值與水池試驗值比較,得到如圖6 的誤差分析結(jié)果。

        從圖6 可知:推力系數(shù)KT、扭矩系數(shù)KQ、及敞水效率η0 的計算結(jié)果與試驗結(jié)果走勢基本一致,從整體來看,仿真效果比較好,誤差在3%左右。分析誤差產(chǎn)生原因,主要是由于實物模型與數(shù)字模型存在偏差、試驗與仿真工況無法完全相同等原因造成的。但總體來說,兩者結(jié)果基本吻合。我們認(rèn)為,用此CFD 方法模擬螺旋槳敞水性能可以滿足實際工程設(shè)計應(yīng)用的需求。

        2.4 工作流場及壓力場分析

        流體的反推力和扭矩是螺旋槳的宏觀受力,如果要細(xì)致地研究流體中螺旋槳的水動力性能,需要了解螺旋槳表面任意點(diǎn)的局部受力。

        以螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J=0.448 時工況為例,圖7 為螺旋槳葉面及葉背的壓力分布圖,在導(dǎo)邊附近,存在壓力集中區(qū),但從導(dǎo)邊向隨邊,壓力有所降低。但是相對來講,葉背上壓力急劇下降,與葉面同位置處形成巨大壓差,形成“吸力”??梢钥闯?,從葉根到葉梢,吸力不斷增大,到葉梢達(dá)到最大值,同時,吸力在葉背中間較大,從而解釋了螺旋槳產(chǎn)生推力的原因。螺旋槳在實際工作中除了產(chǎn)生軸向誘導(dǎo)速度,還會由于螺旋獎的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向一致的周向誘導(dǎo)速度,軸向速度與周向速度合速度表現(xiàn)為水流經(jīng)過螺旋獎盤面會向槳穀中心線扭轉(zhuǎn),圖8 給出了螺旋槳尾流圖。從流線形狀來看,螺旋槳尾流直徑小于螺旋槳直徑。

        3 結(jié)論

        本文利用ProCAD與犀牛軟件結(jié)合,提出了一種螺旋槳快速建模方法,解決了螺旋槳建模繁瑣和效率低的問題,然后通過對螺旋槳網(wǎng)格的劃分和邊界參數(shù)的設(shè)置,計算了敞水螺旋槳的水動力性能,在不同進(jìn)速系數(shù)下螺旋槳的推力系數(shù),轉(zhuǎn)矩系數(shù)及效率,計算結(jié)果和試驗相對比,結(jié)果基本吻合,最大誤差在3%左右,同時分析了敞水中螺旋槳葉背和葉面的壓力分布及流場情況,精度能夠滿足工程上的設(shè)計需要。

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