CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究

　现代制造工程2010年第4期试验研究

CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究

刘丹,陈凤馨

(南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009)

3

摘要:对流场中螺旋桨的敞水性能进行研究。利用Pro/E,面型线,利用创建实体功能得到螺旋桨实体模型。用CFD、转矩系数以及推进效率进行模拟,软件计算螺旋桨敞水性能的过程进行详细介绍,,数值模拟的结果可以满足工程应用要求。关键词:CF;中图分类号:　文章编号:1671—3133(2010)04—0018—04

ApplicationresearchofCFDaboutcalculationof

propelleropenwaterperformance

LIUDan,CHENFeng2xin

(NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)

Abstract:Studiedtheopenwaterperformanceofpropellerintheflowfields.Three2dimensionalmodelwasbuiltforpropellerbythePro/E,theprofilelineofbladeisdescribedbasedoncoordinatetransformation,inaddition,byusingtheentityfunction,thesolidmodelofpropellerwascreated.Underdifferentadvancecoefficients,thethrustcoefficient,torquecoefficientandpropulsiveefficiencyofthepropellerhavebeensimulatedbytheCFD.Thecalculationresultsofthethreeturbulentmodelswereanalyzed.ThedetailprocessofusingFluenttocalculatetheopenwaterperformanceofpropellerwasintroduced,throughwhichtheopenwaterperformancecurvewasprovided.Acomparisonbetweentheanalysisresultsandtheexperimentalresultsshowedthatthenumericalsimulationscanbeusedforengineeringapplication.

Keywords:CFD;propeller;openwaterperformance;three2dimensionalmodel

0　引言

螺旋桨设计的主要问题是在满足螺旋桨吸收轴功率、拉力和转速的前提下,力求使螺旋桨的质量小,效率高,噪声小,并保证具有一定的结构安全余度。螺旋桨设计的结果需要经过螺旋桨模型的敞水试验、自航试验和空泡试验等验证并修改。然而由于桨叶曲面形状复杂,桨模制作周期较长,造价昂贵,因此桨模试验不能快速预报螺旋桨敞水性能。从19世纪中叶提出动量理论和叶原体理论到现在,基于势流理论建立的升力面理论和面元法在螺旋桨的设计以及性能预测中得到广泛应用。近年来,随着计算机技术和计算流体力学的发展,CFD软件在工程领域已得到广泛的应用。相对于物理模型的试验,CFD数值模拟具有成本低、周期短、适应性强和应用广泛等特点。

3国家自然科学基金项目(50675097)

本文通过螺旋桨的基本参数在Pro/E软件中建立三维模型,采用CFD软件,基于雷诺时均方程对螺旋

桨进行数值模拟,得出不同进速系数下的敞水性能曲线,并对结果进行分析。同时比较三种湍流模型:标

ε模型、ε模型和Realizablek2ε模型的计准k2RNGk2算结果。

1　CFD软件应用策略

CFD软件应用计算流体力学理论与方法,利用具

有超强数值运算能力的电脑,编制计算机运行程序,数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律的三大守恒定律及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组,得到确定边界条件下的数值解。其基本思想就是通过划分网格把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上

　试验研究

的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立关于这些离散点的场变量之间关系的代数方程,然后求解代数方程组获得变量的近似值。CFD特有的经济性、时效性和可靠性,使得用较少的费用在较短的时间可以获得大量有价值的研究结果。因此,将CFD与工程研究相结合,不仅有助于工程设计的改进,而且能减少实验的工作量,CFD是一种有效和经济的研究手段。

用CFD求解螺旋桨敞水性能的流程如图1所示。本文运用Fluent进行数值模拟,Fluent面,适用性广,国内使用广泛的格生成非常有效

现代制造工程2010年第4期

功能将空间闭合曲面转化为实体,从而得到螺旋桨的实体模型如图2所示,其中Z轴为螺旋桨旋转轴,以船首方向为正向,X轴为桨叶参考线方向,Y轴服从右手法则

。

图2　螺旋桨的实体模型

212　计算域与网格划分

本文研究的是螺旋桨在定常稳态条件下的敞水

性能,将建好的三维模型置于直径为5D(D为螺旋桨直径)的圆柱体中心,计算域的内边界取在叶片和桨毂的表面上,外边界取在圆柱体表面(无穷远边界)。为计算需要,在划分网格时局部加密,将计算流域划分成两个几何区域,螺旋桨附近的计算域采用较密集的网格,外围流域采用较稀疏的网格。这样既控制了网格总数,又保证了计算精度和效率。本文螺旋桨表面网格划分如图3所示

。

图1　用CFD数值模拟螺旋桨敞水性能流程

图3　螺旋桨网格划分

2　研究对象及其计算模型

211　螺旋桨三维模型的建立

213　控制方程及边界条件

Fluent中处理旋转机械流动问题的模型有旋转坐

标系模型(RotatingReferenceFrame)、多参考坐标系模

本文研究的螺旋桨为四叶的常规桨。通过螺旋

桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸,建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式,求出三维建模所用型值点坐标;利用Pro/E软件进行三维造型,根据012R～0195R(R为螺旋桨半径)的一系列叶剖面的型线数据绘制各个叶剖面的型线;在由二维坐标转换为三维型值点坐标时,需要对桨叶叶根和叶梢处进行插值修正处理。采用边界混合的方式以翼形曲线为轮廓生成叶片的曲面,桨毂简化为圆柱面。用创建实体

型(MRF)、混合平面模型(MixingPlane)和滑移网格模型(SlidingMesh)。本文选择旋转坐标系模型,旋转坐标系模型适用于不考虑定子影响的流场,其思想就是在视转子为静止的旋转坐标系里进行定常计算,这里将螺旋桨视为没有定子的转子。控制方程采用旋转相对坐标系下的不可压缩流体雷诺时均方程组,湍

ε模型、ε模型以及Re2流模型分别采用标准k2RNGk2

ε模型。速度进口边界给定均匀来流的各个alizablek2

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速度分量;出口边界给定表压为0(相对于工作压强);螺旋桨和圆柱体表面采用无滑移边界条件,近壁区的黏性底层采用标准壁面函数简化处理;计算域流体则按Fluent软件提供的运动参考坐标系模型,设置绕Z轴以角速度ω旋转。

试验研究

验值非常接近,表明CFD对螺旋桨的模拟计算已经很

ε精确,具有可信度。从表1中可以看出采用RNGk2

ε模型的计算结果更接近,这说明模型和Realizablek2

ε模型和Realizablek2ε模型的计算精度高,比RNGk2

ε模型适用。标准k2ε模型采用了较多的简化标准k2

并且没有考虑旋转对湍流的影响,会产生一定的失

ε模型相比,2ε模型修正了湍动真。与标准k2

,。ε,从而反映了主流k,,而且在

ε模,所以RNGk2

型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的

ε模型采用新的耗散方程,湍动流动。而Realizablek2

黏度计算公式引入与旋转和曲率有关的内容,相比于

ε模型对瞬变流和流线弯曲的影响能做出更好标准k2的反应。

表1　J=019时采用三种湍流模型的模拟计算结果

湍流模型ε标准k2εRNGk2εRealizablek2

KT

3　数值模拟计算结果的考察分析

由螺旋桨的数值计算得到螺旋桨的推力系数KT、扭矩系数KQ和敞水效率η,进速系数J取015～111

(间隔011),螺旋桨直径D=0130m,转速n=min,保持转速不变,4

速大小来实现=);5

πKQ)其系数KQ=Q/(ρ);=KTJ/(2

中,ρ为密度,T,Q为扭矩。

ε模型计算所得的敞水性能曲线如图4采用标准k2

所示,与试验结果相比,模拟计算所得的KT2J、KQ2J曲

线斜率的绝对值稍大,试验值与模拟值在J=019处附近相交;而对于η2J线,当J小于019时模拟计算结果与试验结果吻合得很好,偏差在3%之内,几乎重叠;但随着J值增大,两曲线偏差变大,在J=111时达到411%。从图4中可以看出,J在018～019之间模拟计算结果与试验结果吻合得最好,而在J值较大时模拟计算结果的精度受到影响。总之,在选取的进速系数J为015～111之间模拟计算的结果与试验结果基本吻合。模拟计算结果与试验结果存在误差,主要原因有:在螺旋桨建模时,对实体模型和边界条件做了简化处理;在桨模试验中,吸力面上低于饱和压力的区域会有空泡的存在。而用CFD模拟计算没有使用空化模型,导致计算的KT与KQ值存在一定的偏差。

为探讨湍流模型对数值计算精度的影响,保持其

ε他参数设置不变,在J=019时尝试分别采用标准k2

ε模型和Realizablek2ε模型进行计算,模型、RNGk2结果见表1。三种湍流模型模拟计算的KT、KQ

值与试

10KQ01542015408015412

η

01610016081016084

01231012296012299

4　结语

1)通过CFD软件数值模拟了定常稳态条件下螺

旋桨的敞水性能,获得在不同的进速系数J下螺旋桨

的推力系数、转矩系数以及敞水效率,模拟结果与试验结果的偏差在允许范围之内。因此在研究螺旋桨性能的工作中可以运用CFD软件进行数值模拟,并且结果能够满足工程应用的要求。

2)对三种湍流模型的计算结果做了简要分析,在

ε模型和螺旋桨敞水性能的数值计算中,采用RNGk2

ε模型能获得更准确的结果。模拟计算Realizablek2

精度与湍流模型有关。选择合适的湍流模型才能得

到理想的计算结果。

3)本文初步探讨了采用CFD计算螺旋桨的敞水性能的过程。由于在螺旋桨三维模型的建立中做了很多简化处理,给模拟计算结果带来一定的偏差,求解的参数设定等还有待改进以获得最佳计算结果。

参考文献:

[1]　王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与

应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

图4　推力系数KT、扭矩系数KQ、敞水效率η曲线

(下转第66页)

　现代制造工程2010年第4期

是偏心的,一边为正,一边为负交替出现且表现出较强的不稳定性。

不同断面上径向速度分布不同,说明分离器内部存在径向的输运,径向速度与轴向速度综合作用的结果使气流在剖面上做螺旋运动。由于径向速度的存在,在排气管下侧容易造成气体的短路流使部分颗粒通过这种短路流,直接进入排气管降低分离效率。同时数值模拟结果也证明了为减轻短路流效应提高分离效率,加长排气管的插入深度是可以起到积极作用的。在分离器筒体的下方,轴心时,径向速度较小,,,,升,,锥体部分径向速度有所增加,使得颗粒跟随气流上行,这对分离是不利的。

制造技术/工艺装备

与旋风分离器的几何轴线重合,而是一条空间曲线,中心涡核的径向速度分布,以旋风分离器的几何轴线为基准,其分布是偏心的,一边为正,一边为负,且表现出较强的不稳定性。

参考文献:

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[6]　王福军.计算流体动力学分析———CFD软件原理与

5　结语

旋风分离器内部进行的是两相流运动,是气相和

固体颗粒相的分离过程,而颗粒相属于稀疏相,固体颗粒的运动在很大程度上还是要取决于分离器内部的气体流场,而速度场是旋风分离器内部最主要的流场。本文通过大涡数值模拟,对旋风分离器速度场进行数值模拟。结果表明:切向速度在旋风分离器中起主导作用,它的分布呈现组合涡的特点,中心区域强制涡有利于将颗粒甩向外部,外部的准自由涡区有利于颗粒在壁面附近被捕集,对压降的影响十分明显;轴向速度分布没有规律,在筒体上部入口管区域的轴向速度是正值,在中心区域为负值,接近筒体下部后,轴向速度又为正值;径向速度分布比较复杂,在筒体的中心强制涡并不是一个圆柱体,它的涡核的轴线不

应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

作者简介:赵宏强,副研究员,硕士生导师,主要从事机电液一体化

的研究。

E2mail:gy_1230@

收稿日期:2009207208

(上接第20页)

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作者简介:刘丹,硕士研究生。

E2mail:jsjjliudan@

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收稿日期:2009209222

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ujim.html