南 栩,洪 亮,陳海斌,張 龍

(1.南京理工大學(xué)， 南京 210094； 2.泰州金海運(yùn)船用設(shè)備有限公司， 江蘇 泰州 225300)

1 引言

氣墊登陸艇作為一種具備兩棲性能的非常規(guī)高速船舶，在軍民領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，其推進(jìn)裝置通常為置于船體艉部的空氣導(dǎo)管螺旋槳形式，為實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)功率的最大化利用和螺旋槳效能的進(jìn)一步提升，采用共軸對轉(zhuǎn)槳的形式，基于CFD方法對前后槳不同安裝角位置下的共軸對轉(zhuǎn)螺旋槳的氣動(dòng)力性能進(jìn)行分析。

國內(nèi)外學(xué)者對共軸對轉(zhuǎn)螺旋槳的特性進(jìn)行了深入的研究，Miller等[1]研究了兩組槳葉數(shù)比值不同的對轉(zhuǎn)槳，通過敞水試驗(yàn)得出了前后槳之間的相互干擾規(guī)律。鄭健等[2]通過滑移網(wǎng)格法結(jié)合PISO與SIMPLE算法的優(yōu)點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)對轉(zhuǎn)槳可有效利用前槳損失的周向渦動(dòng)能。張宇等[3]通過片條理論和遺傳算法對平流層飛艇對轉(zhuǎn)螺旋槳進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)隨著前后槳間距的增大對轉(zhuǎn)螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均有所提升。晏資文[4]通過采用雙轉(zhuǎn)子虛擬動(dòng)平衡原理，開展了同軸對轉(zhuǎn)雙螺旋槳轉(zhuǎn)子仿真分析以及無鍵相虛擬動(dòng)平衡算法研究；該方法簡化了螺旋槳的建模過程并取得了很好的效果。南京航空航天大學(xué)運(yùn)用數(shù)值分析法得到了各級槳盤之間的氣體動(dòng)壓干涉規(guī)律[5]；Nouri等[6]結(jié)合葉素理論與遺傳算法對原螺旋槳的翼型剖面進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明對轉(zhuǎn)螺旋槳對提高推進(jìn)效率具有顯著效果。Smith等[7]通過固定前后槳葉相位，調(diào)節(jié)螺旋槳直徑和槳葉后掠角的方式，獲得了降低共軸對轉(zhuǎn)螺旋槳?dú)鈩?dòng)噪聲的規(guī)律。閆文輝等[8]使用URANS方法與滑移網(wǎng)格技術(shù)，對6×6構(gòu)型的對轉(zhuǎn)槳進(jìn)行了非定常氣動(dòng)干擾計(jì)算，結(jié)果表明后槳由于能夠吸收部分前槳的切向滑流能量，推進(jìn)效率比前槳更高。Franciso[9]開發(fā)了一種特殊的鎖相技術(shù)，允許基于前后螺旋槳角位置對速度測量值進(jìn)行相位平均，研究了對轉(zhuǎn)槳尾渦之間的相互作用。馬進(jìn)超等[10]運(yùn)用多重參考系方法對不同螺旋槳分布的串列翼無人機(jī)及進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究顯示螺旋槳滑流產(chǎn)生的渦系對無人機(jī)的氣動(dòng)特性影響明顯。侯立勛等[11]采用速度勢面元法創(chuàng)建了對轉(zhuǎn)舵槳水動(dòng)力性能迭代模型，計(jì)算結(jié)果表明對轉(zhuǎn)舵槳尾流比單槳尾流周向誘導(dǎo)速度小，尾流旋轉(zhuǎn)能量得到很好回收。夏貞鋒[12]等采用動(dòng)態(tài)面搭接技術(shù)利用N-S方程模擬了對轉(zhuǎn)開式轉(zhuǎn)子的氣動(dòng)干擾特性，結(jié)果顯示后轉(zhuǎn)子對滑流具有漩渦恢復(fù)和再加速效果。

通過計(jì)算對轉(zhuǎn)螺旋槳前槳與后槳之間不同的初始角位置和進(jìn)速系數(shù)下的氣動(dòng)特性，分析了前后槳尖渦以及槳葉尾流之間的影響規(guī)律，為氣墊登陸艇推進(jìn)器的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 數(shù)學(xué)模型

基于均勻來流中對轉(zhuǎn)螺旋槳非定常升力面理論計(jì)算法[13]，槳葉厚度所產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度可忽略其非定常性，對前槳建立方程式

(1)

對后槳建立方程式

(2)

單螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J，推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ以及推進(jìn)效率η相應(yīng)計(jì)算公式如下：

J=V/nD

(3)

KT=T/ρn2D4

(4)

KQ=Q/ρn2D5

(5)

η=(J·KT)/(2π·KQ)

(6)

式中：V為來流速度(m/s)；n為轉(zhuǎn)動(dòng)角速度(r/s)；ρ為空氣密度，取1.29 kg/m3；T為螺旋槳推力(N)；Q為螺旋槳扭矩(N·m)。

根據(jù)ITTC標(biāo)準(zhǔn)[14]確定對轉(zhuǎn)螺旋槳相關(guān)性能的計(jì)算公式

KTs=KTf+KTa

(7)

KQs=KQf+KQa

(8)

ηs=(J·KTs)/(2π·KQs)

(9)

式中：KTs為對轉(zhuǎn)螺旋槳推力系數(shù)；KTf和KTa分別為前槳推力系數(shù)和后槳推力系數(shù)；KQs為對轉(zhuǎn)螺旋槳綜合扭矩系數(shù)；KQf和KQa分別為前槳扭矩系數(shù)和后槳扭矩系數(shù)；ηs為對轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)效率。

3 對轉(zhuǎn)螺旋數(shù)值計(jì)算分析

3.1 螺旋槳幾何建模及流場網(wǎng)格劃分

通過CATIA對氣墊登陸艇單槳螺旋槳和共軸對轉(zhuǎn)螺旋槳建立幾何模型，相關(guān)模型的基本參數(shù)如表1、表2所示。

表1 單槳模型設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of single propeller

表2 對轉(zhuǎn)槳模型設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of CRPs

對轉(zhuǎn)螺旋槳計(jì)算域網(wǎng)格劃分過程與單螺旋槳計(jì)算域網(wǎng)格類似，單槳流場網(wǎng)格包括靜止域和旋轉(zhuǎn)域1，靜止域和旋轉(zhuǎn)域1之間通過設(shè)置交界面進(jìn)行流場信息傳遞；其中靜止域和旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格生成其分別采取切割體網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格形式，由于螺旋槳表面曲率較為復(fù)雜，因此需要對槳葉和槳轂部位網(wǎng)格加密處理，進(jìn)行合理的棱柱層設(shè)置。對轉(zhuǎn)螺旋槳的網(wǎng)格劃分是在單槳網(wǎng)格的基礎(chǔ)上增加一個(gè)旋轉(zhuǎn)域2，前槳和后槳對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)域1，2分別與靜止域之間創(chuàng)建交界面1，交界面2，兩旋轉(zhuǎn)域之間創(chuàng)建交界面3，總體網(wǎng)格量為2 401 694，生成情況如下所示。

圖1 計(jì)算域和網(wǎng)格布置

3.2 湍流模型選擇與算例設(shè)置

為了更加真實(shí)的研究空氣螺旋槳的相關(guān)性能，本文選用STAR-CCM+和Fluent兩種求解器模擬對轉(zhuǎn)螺旋槳的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和推進(jìn)效率等流場特性。流場求解中對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，采用和全y+壁面處理方法，速度-壓力耦合采用SIMPLE算法，湍流模式選取為SST K-Omega模式[15]。通過改變進(jìn)速系數(shù)J，分別研究了前槳與后槳4種不同初始角位置下前后槳之間的氣動(dòng)干擾狀況(圖2)，得出其最佳布置方案。

3.3 計(jì)算結(jié)果與分析

根據(jù)所研究氣墊船的主機(jī)功率和實(shí)際工況，分別計(jì)算了對轉(zhuǎn)螺旋槳4種不同安裝角位置在轉(zhuǎn)速3 000 r/min，進(jìn)速系數(shù)J取值0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7和0.8的相關(guān)氣動(dòng)特性。使用STAR-CCM+和Fluent兩種商用軟件進(jìn)行數(shù)值模擬并和相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果作對比，研究表明對轉(zhuǎn)推進(jìn)器前后槳初始安裝角位置的不同對氣墊船推進(jìn)效能有著顯著影響。由圖3、4可知，隨著進(jìn)速系數(shù)的增大，對轉(zhuǎn)螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)皆逐漸減小，這與單槳的性能曲線變化趨勢一致；通過CFD計(jì)算以及試驗(yàn)可知，能產(chǎn)生較大推力系數(shù)的布置方式依次為角位置4，角位置2，角位置1，角位置3；不同安裝角位置對轉(zhuǎn)螺旋槳的推力系數(shù)在00.4時(shí)，以角位置4布置的對轉(zhuǎn)螺旋槳扭矩系數(shù)明顯降低，說明在此進(jìn)速系數(shù)之后，以該方式布置的前后槳之間等速反向旋轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)更好的扭矩配平，減少振動(dòng)與噪聲。由圖5可知，當(dāng)00.4之后，不同角位置對推進(jìn)效率的影響較大，推進(jìn)效率從高到低依次為角位置4，角位置2，角位置1，角位置3。

圖2 前槳與后槳相對安裝位置

圖4 扭矩系數(shù)KQ隨角位置和J的變化

圖5 推進(jìn)效率η隨角位置和J的變化

將STAR-CCM+與Fluent兩種求解器的對轉(zhuǎn)螺旋槳流場數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，分析前后槳葉之間的相互干擾狀況以及不同角位置下對轉(zhuǎn)槳?dú)鈩?dòng)力性能產(chǎn)生差異的原因。2種CFD計(jì)算軟件所得仿真結(jié)果相近，槳尖渦和尾流場大致相同；不同之處在于Fluent對槳葉表面渦量的分布模擬更為精細(xì)，STAR-CCM+對槳轂渦的模擬更為精細(xì)，如圖6所示。

圖6 對轉(zhuǎn)螺旋槳渦結(jié)構(gòu)隨角位置的變化

對轉(zhuǎn)螺旋槳在相同的轉(zhuǎn)速設(shè)定下，前后槳之間不同的初始位置安裝角對其性能有著較為顯著的影響，當(dāng)前槳與后槳的軸向位置投影面積最大(即角位置3所示情況)時(shí)，對轉(zhuǎn)螺旋槳的推進(jìn)效率最低，這主要是由于前后槳葉相間分布使得軸向重疊區(qū)域極小，后槳不能有效吸收前槳的渦量損失；由于螺旋槳推進(jìn)器是高速旋轉(zhuǎn)裝置，前后槳的初始安裝位置可理想看作每個(gè)瞬態(tài)下的相對位置，當(dāng)后槳的導(dǎo)邊還未到達(dá)前槳的隨邊位置時(shí)，前槳所產(chǎn)生的尾渦能充分被后槳吸收利用，因此安裝方式由角位置4到角位置2到角位置1再到角位置3時(shí)，可以看成對轉(zhuǎn)螺旋槳前槳葉隨邊與后槳葉導(dǎo)邊由相遇到相離的過程，這一過程后槳能有效吸收前槳產(chǎn)生的周向動(dòng)能的時(shí)間裕度逐漸增大，前槳的尾流損失逐漸減少，因此對轉(zhuǎn)槳的效率依次提高。

由圖7可知，單槳與同軸對轉(zhuǎn)螺旋槳的流線形狀有很大不同，單槳尾部流場流線相互交錯(cuò)并產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦旋，這也是單槳周向動(dòng)能耗散的主要原因，由對轉(zhuǎn)槳的流線圖可以看出，尾部流線較為平整，沒有大幅度的扭曲交叉和劇烈的漩渦產(chǎn)生，這是由于后槳對前槳的約束作用，使得兩組旋向相反的流線得到相互糾正，而且前槳的尾流對后槳產(chǎn)生壓迫作用，使得對轉(zhuǎn)槳尾流出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，尾部流線包絡(luò)面比等效單槳更小。由圖8可知，STAR-CCM+與Fluent的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差較小，其中推進(jìn)效率越高的安裝角位置下，仿真值與試驗(yàn)值的誤差越大，其中STAR-CCM+的計(jì)算值總體小于實(shí)際工況試驗(yàn)值，而Fluent的計(jì)算值總體大于實(shí)際工況試驗(yàn)值。

圖7 單槳流線與對轉(zhuǎn)槳流線圖

圖8 不同角位置推進(jìn)效率誤差

4 結(jié)論

1) 共軸對轉(zhuǎn)螺旋槳的前后槳在旋轉(zhuǎn)過程中相互約束，使得尾部流線包絡(luò)面壓縮，后槳有效吸收前槳產(chǎn)生的槳尖渦，其周向誘導(dǎo)速度在尾流中可全部或部分抵消，大幅減少了尾流的能量損失，使得推進(jìn)效率得以提升。

2) 對轉(zhuǎn)螺旋槳前后槳之間初始安裝角的不同對推力系數(shù)、綜合扭矩系數(shù)和推進(jìn)效率有一定程度影響，當(dāng)后槳的導(dǎo)邊在某一瞬態(tài)沒有與前槳隨邊相遇(角位置4)時(shí)，后槳能夠更加充分的吸收前槳尾渦以提升螺旋槳效能。但當(dāng)此距離過大(角位置3)時(shí)，后槳未來得及吸收前槳的產(chǎn)生的尾渦，能量便已耗散，因此初始安裝角的調(diào)試對螺旋槳性能的提升至關(guān)重要。

3) STAR-CCM+和Fluent對共軸對轉(zhuǎn)螺旋槳的氣動(dòng)性能計(jì)算均滿足工程精度要求，前者計(jì)算值較試驗(yàn)值偏小，后者計(jì)算值較試驗(yàn)值偏大，但最大誤差的絕對值不超過13%，因此同時(shí)選用這2種CFD平臺(tái)，可以更加精確的預(yù)報(bào)氣墊登陸艇的對轉(zhuǎn)螺旋槳的推力系數(shù)，綜合扭矩系數(shù)和推進(jìn)效率，對其推進(jìn)裝置的的設(shè)計(jì)提供參考。