張 嶔, 王鑫宇, 王智程, 王天源

(中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院,山東 青島 266100)

螺旋槳與導(dǎo)管螺旋槳被廣泛用作船舶、水下航行器及海洋平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)中的主動(dòng)控制裝置,針對(duì)螺旋槳與導(dǎo)管槳尾流特性的傳統(tǒng)研究主要基于直航設(shè)計(jì)工況下開展[1].但在船舶航運(yùn)的實(shí)際工況(例如船舶緊急轉(zhuǎn)向以規(guī)避碰撞等)下,螺旋槳或?qū)Ч軜獣?huì)由于船舶處于非常規(guī)航行姿態(tài)而經(jīng)歷偏航工況.在斜流工況下,由于船體、螺旋槳/導(dǎo)管槳和舵之間的相互作用,槳后流場形態(tài)相較于直航工況會(huì)呈現(xiàn)更復(fù)雜的特性,這可能會(huì)對(duì)船舶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生較大影響.所以開展斜流情況下螺旋槳/導(dǎo)管槳的尾流場特性研究對(duì)于船舶、水下航行器等領(lǐng)域具有重大意義.

目前,開展螺旋槳與導(dǎo)管槳尾流特性分析主要包括試驗(yàn)測(cè)量及理論預(yù)報(bào)兩種方法,其中理論預(yù)報(bào)主要依托于數(shù)值模擬進(jìn)行.隨著航運(yùn)行業(yè)的發(fā)展,螺旋槳處于斜入流工況的問題逐漸受到廣泛關(guān)注.物理試驗(yàn)方面,Felli等[2]通過試驗(yàn)的方法利用粒子圖像測(cè)速法(Particle Image Velocimetry, PIV)技術(shù)獲取直流和斜流條件下3種漂角的高分辨率尾流狀態(tài)圖像,基于相平均流場和瞬時(shí)流場信息,系統(tǒng)分析了尾流演化過程和渦旋不穩(wěn)定機(jī)制,槳軸兩側(cè)尾跡不對(duì)稱現(xiàn)象,及渦旋與螺旋槳結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)影響.數(shù)值模擬分析方面, Di Mascio等[3]通過分離渦模擬(Detached-Eddy Simulation, DES)比較了螺旋槳在直流和20° 漂角斜流下尾流特征,基于相平均流場和瞬時(shí)尾流場信息分析了斜流下船用螺旋槳尾流的動(dòng)力不穩(wěn)定性機(jī)制,并通過動(dòng)能進(jìn)一步闡述了渦旋結(jié)構(gòu)相互作用與失穩(wěn)演化機(jī)制.Dubbioso等[4-5]基于雷諾時(shí)均方程(Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations, RANS)和動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格技術(shù),對(duì)不同漂角(10°～30°)斜流下的螺旋槳進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了單個(gè)葉片、輪轂和整個(gè)螺旋槳上的流體動(dòng)力載荷(力和力矩)特征,以及局部葉片與尾流下游的壓力分布特征,系統(tǒng)評(píng)估了小漂角斜流下螺旋槳水動(dòng)力性能.國內(nèi)學(xué)者Hou等[6]基于低階勢(shì)面元法建立了斜流下螺旋槳水動(dòng)力性能的迭代計(jì)算模型,結(jié)果表明螺旋槳的推力和扭矩隨軸向流入速度的增大而減小,隨入射角的增大而增大;螺旋槳葉片表面載荷的不穩(wěn)定性隨軸向流入速度和入射角的增大而加劇;相比軸向流入速度,入流角對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能不穩(wěn)定性的影響更為顯著.孫聰?shù)萚7]對(duì)斜流下導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能及流場特性進(jìn)行數(shù)值分析,結(jié)果表明,小漂角斜流工況下導(dǎo)管槳的推進(jìn)效率會(huì)有小幅提高.周長科等[8]基于SSTk-ω模型對(duì)在0°～50° 漂角斜流下四葉導(dǎo)管槳的推力和扭矩進(jìn)行了仿真模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管的存在能夠在一定范圍內(nèi)改善螺旋槳的水動(dòng)力性能.

螺旋槳與導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能研究大多在相對(duì)設(shè)計(jì)工況(直流工況)下開展,但螺旋槳與導(dǎo)管槳不可避免地會(huì)經(jīng)常處于斜流工況下,相關(guān)研究不夠深入,且大多基于小漂角斜流工況[9]對(duì)螺旋槳或?qū)Ч軜屏Α⒘丶皹~表面壓力等展開,較少構(gòu)建大漂角斜流下螺旋槳或?qū)Ч軜木?xì)化尾流場,同時(shí)也缺乏斜流下螺旋槳和導(dǎo)管槳的尾流特性對(duì)比研究.為此,本文依托已有研究工作基礎(chǔ)[10],采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)利用OpenFOAM基于延遲分離渦模型(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)結(jié)合滑移網(wǎng)格(Arbitrary Mesh Interface, AMI),大幅提高了大漂角斜流下螺旋槳與導(dǎo)管槳尾流場構(gòu)建及渦旋細(xì)節(jié)捕捉的精度,對(duì)螺旋槳與導(dǎo)管槳在大漂角斜流(β=45°, 60°)下的尾流特性展開水動(dòng)力仿真研究,對(duì)比分析二者的典型特性信息與特征差異,探究大漂角斜流下尾流與槳水動(dòng)力性能的關(guān)聯(lián)性,為螺旋槳與導(dǎo)管槳非設(shè)計(jì)工況下水動(dòng)力性能研究提供理論支持與技術(shù)參考.

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 湍流模型

在求解納維-斯托克斯方程(Navier-Stokes Equations, N-S)的過程中,有雷諾時(shí)均方程、大渦模擬(Large Eddy Simulation, LES)、分離渦模擬等湍流計(jì)算模型,其中DES方法是普遍采用的既滿足工程精度又節(jié)省計(jì)算資源的方法,其在邊界層使用RANS方法,發(fā)揮小尺度模擬優(yōu)勢(shì)減少計(jì)算時(shí)間,在遠(yuǎn)場區(qū)域使用LES方法提高大尺度渦計(jì)算精度.但DES方法存在“模糊網(wǎng)格”的“灰色區(qū)域”過早進(jìn)入LES模型以及模化應(yīng)力不足的問題,DDES的出現(xiàn)解決了這一問題[11].

為提高計(jì)算效率,節(jié)省時(shí)間成本,在三維黏性、不可壓縮的紊流模型基礎(chǔ)上,首先進(jìn)行基于多旋轉(zhuǎn)參考系(Multiple Reference Frame, MRF)模型的定常數(shù)值模擬計(jì)算,以獲得初始化流場信息,再依據(jù)定常流場信息基于RANS模型進(jìn)行非定常數(shù)值模擬計(jì)算直至流場穩(wěn)定,獲得基于Spalart-Allmaras (S-A)紊流模型的非定常流場信息,最后基于DDES模型結(jié)合AMI技術(shù)提升非定常尾渦演化細(xì)節(jié)精度.

1.2 計(jì)算模型

數(shù)模研究選用導(dǎo)管槳和舍去導(dǎo)管部分的螺旋槳作為研究對(duì)象,其中導(dǎo)管槳模型參照Cozijn和Hallmann研究的四葉導(dǎo)管槳[12],由輪轂、槳葉、導(dǎo)管和推桿組成,螺旋槳型號(hào)為5810R,導(dǎo)管型號(hào)為1393.導(dǎo)管槳主要參數(shù)為:直徑0.1 m;葉數(shù)4;螺距比1.

1.3 計(jì)算域與邊界條件

以導(dǎo)管槳為例,計(jì)算域[10]設(shè)置為與導(dǎo)管槳同軸的一圓柱形區(qū)域,如圖1所示.圖中:U∞為入流速度;β為入流漂角;D為導(dǎo)管槳直徑.該圓柱形計(jì)算域直徑為10D,在流動(dòng)方向上,向?qū)Ч軜纳嫌窝由炝?.5D,在導(dǎo)管槳尾跡區(qū)域延伸了10.5D.

圖1 整體計(jì)算域[10]

如圖1所示計(jì)算域左側(cè)邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口邊界,右側(cè)為壓力出口邊界.曲面一側(cè)為對(duì)稱邊界,設(shè)置為零梯度.如圖2所示[13], 螺旋槳所在區(qū)域設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域,旋轉(zhuǎn)域的側(cè)面與導(dǎo)管槳內(nèi)側(cè)平行相距3 mm,其余部分劃分為靜止區(qū)域,不同的區(qū)域之間通過交界面進(jìn)行數(shù)值交換.

圖2 導(dǎo)管槳幾何側(cè)視圖[13]

1.4 網(wǎng)格劃分與工況設(shè)定

對(duì)計(jì)算模型表面及計(jì)算域采用規(guī)則和平滑的全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散.對(duì)于導(dǎo)管槳,葉梢和導(dǎo)管之間設(shè)置為加密網(wǎng)格區(qū)域以捕捉梢渦的產(chǎn)生,對(duì)尾跡區(qū)域進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募?xì)化以捕捉尾跡的不穩(wěn)定性流場,導(dǎo)管槳計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為3.3×107,螺旋槳計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為4.2×107,網(wǎng)格劃分如圖3所示,以β=45° 入流導(dǎo)管槳算例為例.有關(guān)網(wǎng)格適應(yīng)性分析參考文獻(xiàn)[10].

大角度斜流下螺旋槳與導(dǎo)管槳水動(dòng)力數(shù)值模擬工況設(shè)定如表1所示.在恒定進(jìn)速系數(shù)J=0.4的基礎(chǔ)上,設(shè)定斜入流漂角為β=45°, 60° 以進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算.其中考慮斜入流漂角改變,流速固定的實(shí)際對(duì)比意義,定義實(shí)際進(jìn)速系數(shù)為

(1)

式中:n為螺旋槳/導(dǎo)管槳轉(zhuǎn)速.

依據(jù)上述工況條件進(jìn)行非定常數(shù)值模擬計(jì)算,設(shè)定時(shí)間步長為1.575×10-5s,即每時(shí)間步內(nèi)槳旋轉(zhuǎn)0.1°,整個(gè)計(jì)算過程內(nèi)槳旋轉(zhuǎn)25圈,取15～25圈穩(wěn)定流場數(shù)據(jù)作流場分析.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為確保螺旋槳和導(dǎo)管槳水動(dòng)力特性數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性與可靠性,又由于導(dǎo)管槳相較于螺旋槳,導(dǎo)管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的模擬過程的復(fù)雜性,故首先以導(dǎo)管槳為例依據(jù)表2所示的工況,在相同計(jì)算域內(nèi)使β=0°,進(jìn)行水動(dòng)力性能的定常模擬驗(yàn)證,并在定常模擬得到的初始流場基礎(chǔ)上選取進(jìn)速系數(shù)J=0的工況1進(jìn)行非定常流動(dòng)數(shù)值模擬,詳細(xì)模擬驗(yàn)證過程參考文獻(xiàn)[13].與Koop等[14]的推力、扭矩?cái)?shù)據(jù),Cozijn等[15]的PIV試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明,忽略推進(jìn)器連接桿對(duì)尾流場的影響,基于S-A的數(shù)值模擬計(jì)算能夠保證后續(xù)計(jì)算的可行性,且基于S-A紊流模型的DDES模型進(jìn)行斜流工況下螺旋槳與導(dǎo)管槳非定常數(shù)值模擬能夠在保證計(jì)算精度與可靠性的基礎(chǔ)上,得到更高精度的流場細(xì)節(jié).

表2 導(dǎo)管槳數(shù)值模擬驗(yàn)證工況設(shè)置[13]

2.2 相位平均尾流場特性分析

基于表1所示工況進(jìn)行非定常數(shù)值模擬,得到圖4所示螺旋槳與導(dǎo)管槳軸向推力與入流漂角變化關(guān)系曲線[10].圖中:Tref取導(dǎo)管槳系泊工況下推力值.從圖中可以看出,隨著入流漂角的增大,入流速度軸向分量U∞cosβ減小,導(dǎo)致螺旋槳推力Tsp、導(dǎo)管槳螺旋槳部分推力Tp以及導(dǎo)管部分推力Tn、導(dǎo)管槳整體推力Tp+Tn均有增大趨勢(shì),且增加率也隨之增大.由于導(dǎo)管的聚攏作用,導(dǎo)管槳的整體推力值與增加率均大于螺旋槳,斜流狀態(tài)下,相較于螺旋槳,導(dǎo)管槳能提供更大的推力.

圖4 不同漂角斜流下螺旋槳與導(dǎo)管槳推力特性曲線[10]

選定15～25圈內(nèi)螺旋槳與導(dǎo)管槳穩(wěn)定流場數(shù)據(jù),取某一葉片旋轉(zhuǎn)至0° 相位的瞬時(shí)流場數(shù)據(jù)作10圈范圍內(nèi)的相位平均,得到葉片在相同相位的穩(wěn)定尾流場的相位平均結(jié)果,以觀察尾流的周期性流動(dòng)特征,并與零漂角入流工況尾流場結(jié)果對(duì)比[16].以下螺旋槳尾流相平均結(jié)果中,尾渦整體分布區(qū)域軸心l′與槳軸l之間向背流區(qū)偏轉(zhuǎn)的夾角設(shè)定為α(α′),導(dǎo)管槳尾流相平均結(jié)果中,折角發(fā)生前尾渦整體分布區(qū)域軸心l′與槳軸l之間向背流區(qū)偏轉(zhuǎn)的夾角設(shè)定為γ(γ′),折角后高速射流軸心與槳軸之間向背流區(qū)偏折的夾角設(shè)定為φ(φ′).

圖5所示為螺旋槳與導(dǎo)管槳在β=0°, 45°, 60° 入流時(shí)的xz軸向界面的尾流流向速度場(Ux)的相位平均分布云圖,并以Uref(Uref取葉尖速度)無量綱化.螺旋槳和導(dǎo)管槳槳葉周期性旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生葉梢(泄)渦,在流場中形成環(huán)狀高速區(qū),相較于零漂角入流,斜入流條件下尾流場的鋸齒狀特征依然存在.由于受傾斜入流的影響,螺旋槳后尾流從脫離槳盤面O處起便沿著斜流角度方向l′發(fā)展,尾渦整體分布區(qū)域軸心l′與槳軸l之間偏向角α′隨入流漂角的增大而增大.但導(dǎo)管槳后尾流場高速區(qū)耗散段不能保持直線發(fā)展,在A(A′)處伴有小角度轉(zhuǎn)折,且隨著入流漂角的增加,尾流受到入流更大切向力的影響,入流漂角更大時(shí)的轉(zhuǎn)折處發(fā)生位置A′較A更靠近槳盤面處,偏向角γ(γ′)、折角φ(φ′)也隨入流漂角的增大而增大.

圖5 β=0°, 45°, 60° 斜流下螺旋槳、導(dǎo)管槳相平均流向速度對(duì)比

在同一漂角斜入流下,導(dǎo)管槳后尾流高速區(qū)在x/D=1后逐漸耗散形成穩(wěn)定的高速射流,而螺旋槳后尾流環(huán)狀高速區(qū)范圍更大且向槳后穩(wěn)定延長,耗散幅度減弱, 表現(xiàn)為斜流下螺旋槳推力變化較導(dǎo)管槳更小.

圖6 β=0°, 45°, 60° 斜流下螺旋槳、導(dǎo)管槳相平均壓力對(duì)比

此外,螺旋槳及導(dǎo)管槳后尾流渦環(huán)低壓區(qū)兩側(cè)有明顯的差異,迎流區(qū)渦環(huán)中心壓力明顯大于背流區(qū),這種不均衡性可能是由于斜流與槳后渦旋的相互干擾,加速了迎流區(qū)渦環(huán)的失穩(wěn)、破碎,使中心壓力升高.另外,在導(dǎo)管槳吸力側(cè)盤面低壓區(qū)分布同樣具有沿槳軸的不對(duì)稱特性,迎流側(cè)低壓范圍更大,其原因可能是在迎流區(qū)導(dǎo)管內(nèi)側(cè)局部渦產(chǎn)生的影響,這將對(duì)導(dǎo)管槳推力均勻性產(chǎn)生影響.而在螺旋槳吸力側(cè)低壓不對(duì)稱性主要表現(xiàn)在葉梢渦環(huán)中心,但這種差異并不明顯.在同一漂角斜入流條件下對(duì)比螺旋槳和導(dǎo)管槳發(fā)現(xiàn),螺旋槳渦環(huán)中心壓力低于導(dǎo)管槳后對(duì)應(yīng)渦環(huán)低壓區(qū),且螺旋槳槳轂后有清晰的低壓線出現(xiàn),并隨流場的發(fā)展逐漸變得均勻.

圖7所示為螺旋槳與導(dǎo)管槳在β=0°, 45°, 60° 入流時(shí)的合渦量幅值(Ω)相位平均分布云圖,并以Uref/(0.5D)無量綱化.相較于零漂角工況,斜流條件下,在螺旋槳和導(dǎo)管槳尾流場中依然可以捕捉到葉梢(泄)渦、槳轂渦、尾緣渦等明顯特征,但其失穩(wěn)進(jìn)程會(huì)受到斜流的影響而產(chǎn)生明顯變化,槳軸背流側(cè)產(chǎn)生明顯渦旋,引起不均勻入流,成為影響流場結(jié)構(gòu)與推力變化的因素.斜流下,螺旋槳背流側(cè)梢渦不受導(dǎo)管影響,能夠在一定范圍內(nèi)保持規(guī)律完整、連續(xù)分布的渦結(jié)構(gòu),迎流側(cè)梢渦直接受到來自斜入流的干擾,自產(chǎn)生后便隨即破裂、失穩(wěn),隨著入流漂角的增大,這種梢渦消散進(jìn)程更加劇烈.導(dǎo)管槳后迎流側(cè)梢渦同樣由于斜入流的沖刷被擊碎提前發(fā)生破裂,尾渦形態(tài)變得極為不穩(wěn)定,向斜流方向擴(kuò)散,又由于導(dǎo)管對(duì)前半段尾渦的遮蔽作用,槳后尾渦形態(tài)產(chǎn)生明顯的折角現(xiàn)象.

圖7 β=0°, 45°, 60° 斜流下螺旋槳、導(dǎo)管槳相平均合渦量幅值對(duì)比

螺旋槳后尾流場整體沿偏向斜流方向的直線發(fā)展,且偏向角α(α′)隨著斜流漂角的增大而增大.但導(dǎo)管槳尾流渦系分布與螺旋槳明顯不同.圖8所示為β=45°, 60° 入流下導(dǎo)管槳局部相平均合渦量幅值對(duì)比,以Uref/(0.5D)無量綱化.由圖可見,導(dǎo)管背流區(qū)翼型剖面的流動(dòng)攻角過大,導(dǎo)管外側(cè)發(fā)生流動(dòng)分離而產(chǎn)生局部渦脫落現(xiàn)象.背流區(qū)葉梢泄渦在導(dǎo)管內(nèi)部能夠保持很好的渦形狀從導(dǎo)管后緣滑落,在與導(dǎo)管脫落渦接觸并相互干擾后迅速破裂,導(dǎo)致背流側(cè)的渦環(huán)高速低壓特征不明顯.隨著入流漂角的增大,流動(dòng)分離更劇烈,局部渦旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的區(qū)域增大,流動(dòng)擾動(dòng)更加劇烈,流場更加復(fù)雜.在導(dǎo)管槳迎流區(qū)導(dǎo)管部分,導(dǎo)管內(nèi)側(cè)的葉梢渦受到來自斜流的干擾,這可能是導(dǎo)致迎流區(qū)導(dǎo)管前緣出現(xiàn)高速低壓特征的原因.

圖8 β=45°, 60° 斜流下導(dǎo)管槳局部相平均合渦量幅值對(duì)比

受斜流影響,導(dǎo)管槳迎流區(qū)葉梢泄渦、脫落渦從導(dǎo)管后緣滑落后迅速破裂,消散得更快,夾角γ(γ′)、折角φ(φ′)也會(huì)隨著入流漂角增大而增大,且尾流轉(zhuǎn)折更早發(fā)生,轉(zhuǎn)折點(diǎn)A(A′)呈現(xiàn)向槳O點(diǎn)處移動(dòng)的趨勢(shì).無論是螺旋槳還是導(dǎo)管槳流場的葉梢(泄)渦、槳轂渦和尾緣渦,都會(huì)隨著斜流漂角的增大,加快渦結(jié)構(gòu)變形和尾流區(qū)渦結(jié)構(gòu)破裂失穩(wěn)演化進(jìn)程.

斜流狀態(tài)下,單個(gè)槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中受到的非定常載荷會(huì)隨之產(chǎn)生非定常流,且非定常流與槳葉所處相位有關(guān),各個(gè)槳葉的尾渦相互誘導(dǎo),并受斜入流干擾,導(dǎo)致迎流側(cè)、背流側(cè)尾渦特征差異性的出現(xiàn).在同一漂角斜流條件下,導(dǎo)管槳尾流渦結(jié)構(gòu)在斜流主流效應(yīng)產(chǎn)生的切向分量作用下,發(fā)生折角現(xiàn)象,且導(dǎo)管似乎會(huì)進(jìn)一步對(duì)槳轂渦產(chǎn)生干擾作用,因?yàn)閲娮鞎?huì)產(chǎn)生離心力使螺旋槳尾流集中于導(dǎo)管內(nèi)壁面附近,也使得槳轂渦進(jìn)一步失穩(wěn)破碎.而螺旋槳尾渦整體分布沿直線發(fā)展,這主要是由于導(dǎo)管對(duì)槳后尾流起一定的遮蔽作用,可以降低尾流在初始階段受到斜流的影響,在一定程度上保持初始射流繼續(xù)沿槳軸方向發(fā)展.

圖9 β=0°, 45°, 60° 斜流下螺旋槳、導(dǎo)管槳相平均動(dòng)能對(duì)比

圖10 β=0°, 45°, 60° 斜流下螺旋槳、導(dǎo)管槳相平均湍流動(dòng)能對(duì)比

導(dǎo)管槳導(dǎo)管會(huì)將部分葉梢渦的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為槳的推力,剩余能量以葉梢泄渦的形式流出,減少了梢渦湍流向槳后的發(fā)展,因此在相同漂角入流下,導(dǎo)管槳槳后尾流場整體湍流動(dòng)能低于螺旋槳.但由于導(dǎo)管槳導(dǎo)管脫落渦的存在,使得導(dǎo)管槳槳后尾流場整體湍流動(dòng)能形式比螺旋槳更加復(fù)雜.

2.3 瞬時(shí)尾流場特性分析

為了捕捉更清晰的流場渦旋結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié),圖11取β=45°,60° 入流下螺旋槳與導(dǎo)管槳最后時(shí)刻的xz軸向界面的尾流場瞬時(shí)三維渦量等值面圖,并使用以Uref無量綱化的瞬時(shí)合速度幅值(U)染色.由圖可以清晰地觀察到斜流條件下螺旋槳迎流、背流區(qū)梢渦差異.背流區(qū)梢渦平穩(wěn)發(fā)展,并逐漸經(jīng)歷失穩(wěn)而后破碎消失于小尺度紊流中,迎流區(qū)梢渦受斜入流干擾影響較大,不會(huì)穩(wěn)定地發(fā)展出螺旋渦狀結(jié)構(gòu),在脫離螺旋槳盤面后迅速進(jìn)入失穩(wěn)破碎過程,并且隨著斜流漂角的增大,梢渦進(jìn)入失穩(wěn)進(jìn)程加快,破碎也更加劇烈.而在導(dǎo)管槳渦量圖中,能夠清晰完整地觀測(cè)到背流區(qū)導(dǎo)管脫落渦的形成與發(fā)展,斜流下導(dǎo)管槳后葉梢泄渦受到來自導(dǎo)管脫落渦的干擾,葉梢泄渦不會(huì)呈螺旋狀穩(wěn)定發(fā)展,在脫離導(dǎo)管后迅速進(jìn)入失穩(wěn)進(jìn)程與斜流主流混合.隨著斜流漂角的增大,導(dǎo)管槳尾流中導(dǎo)管流動(dòng)分離更劇烈,渦旋失穩(wěn)進(jìn)程加快,出現(xiàn)明顯二次渦結(jié)構(gòu),流場變得更加復(fù)雜.

圖11 β=45°, 60° 斜流下螺旋槳、導(dǎo)管槳瞬時(shí)渦量場的三維等值面圖

螺旋槳和導(dǎo)管槳在相同漂角斜流下,螺旋槳由于不受導(dǎo)管的干擾,尾流的傾斜方向與角度完全由斜流主導(dǎo),尾流渦場包含更多的渦旋結(jié)構(gòu),渦旋失穩(wěn)過程更加完整,渦旋結(jié)構(gòu)之間相互干擾更加劇烈,葉梢渦與斜流流場之間形成更大的速度梯度,表現(xiàn)出更高的流場能量(見圖9),并逐漸向周圍流場擴(kuò)散.導(dǎo)管槳由于其推力大于螺旋槳,且槳后尾流在導(dǎo)管的遮蔽作用下,靠近槳的尾流依舊保持與導(dǎo)管大致對(duì)齊的方向,但在向下游的演變過程中斜流開始占據(jù)主導(dǎo),這是折射角出現(xiàn)的原因.且葉梢泄渦更快破碎,泄渦速度高梯度區(qū)也更加集中.這些與相平均云圖中得到的螺旋槳及導(dǎo)管槳的尾流特性分析與流體動(dòng)力學(xué)結(jié)論是相一致的.

3 結(jié)論

建立了基于混合模型延遲分離渦模擬DDES,結(jié)合滑移網(wǎng)格AMI的非定常尾渦演化數(shù)值模型,對(duì)典型進(jìn)速系數(shù)(J=0.4)大漂角(β=45°,60°)斜流下螺旋槳與導(dǎo)管槳的尾流場特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,得出的結(jié)論如下:

(1) 在典型的進(jìn)速系數(shù)(J=0.4)與斜流工況下,螺旋槳和導(dǎo)管槳后尾流場受到斜流主流效應(yīng)切向分量的影響整體呈現(xiàn)偏斜狀態(tài),隨著入流漂角的增加,偏向角也隨之增大.但導(dǎo)管槳后尾渦整體分布區(qū)域出現(xiàn)非線型的折角現(xiàn)象,隨著入流漂角的增加,折角角度增大,折角點(diǎn)向槳方向靠攏.這是因?yàn)閷?dǎo)管槳導(dǎo)管對(duì)斜流的屏蔽影響,可以維持初始流場在一定距離上的發(fā)展,論證了斜流下導(dǎo)管槳相比螺旋槳更具操縱優(yōu)越性.

(2) 斜流狀態(tài)下,槳葉在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)受到周期性變化的非定常載荷,導(dǎo)致迎流區(qū)和背流區(qū)不均勻流場特性出現(xiàn),以及在斜流主流效應(yīng)切向分量的影響下,梢(泄)渦、轂渦、片渦發(fā)生相互摻混、相互負(fù)載,螺旋槳和導(dǎo)管槳后尾渦相互影響,流場特性比零漂角入流條件下更加復(fù)雜.導(dǎo)管槳背流側(cè)導(dǎo)管前緣發(fā)生流動(dòng)分離,迎流側(cè)導(dǎo)管后緣發(fā)生梢渦融合,入流漂角越大這種現(xiàn)象越劇烈,導(dǎo)管脫落渦和槳后尾渦系產(chǎn)生復(fù)雜干擾,導(dǎo)管槳后二次渦演化明顯;螺旋槳由于不存在導(dǎo)管,尾流場直接受到斜流影響,尾渦系不均勻性和復(fù)雜性更加劇烈.

(3) 在能量角度上,斜流剪切作用隨著斜流漂角的增大得到加強(qiáng),加快了導(dǎo)管槳和螺旋槳后尾渦結(jié)構(gòu)的演化和能量的擴(kuò)散.導(dǎo)管槳由于導(dǎo)管的存在,部分葉梢渦的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為導(dǎo)管的推力,剩余能量以葉梢泄渦的形式流出,在相同的進(jìn)速度系數(shù)和入流漂角條件下,導(dǎo)管槳尾流能量略低于螺旋槳,湍流程度也相對(duì)較低,但由于導(dǎo)管脫落渦的存在,尾渦系失穩(wěn)摻混,使得導(dǎo)管槳尾渦系湍流動(dòng)能形式較為復(fù)雜.