船用螺旋桨敞水性能数值分析

摘要： 为预测某船用螺旋桨在不同螺距下的敞水性能，对标准螺旋桨DTMB 4119的敞水性能进行数值模拟，得到的推力因数和扭矩因数计算值与试验值的对比表明通过求解RANS方程模拟螺旋桨黏性流场是可行的.用该方法预测某船用螺旋桨的敞水性能：模拟得到不同螺距下螺旋桨推力因数、扭矩因数和表面压力因数的变化以及尾流情况.通过RANS方法可以较准确地分析船用螺旋桨敞水性能.

关键词： 船用螺旋桨； 敞水性能； 螺距； 表面压力； 尾流

中图分类号： U664.33； TB115.1文献标志码： B

Numerical analysis on open water performance of

ship propeller

GU Chengzhang, ZHENG Bailin

(Institute of Applied Mechanics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract： To predict the open water performance of a ship propeller under different pitches, the numerical simulation on open water performance of the standard propeller DTMB 4119 is performed. The comparison of computation results and test results of thrust coefficient and torque coefficient indicates that it is feasible to simulate viscous flow field of the propeller by solving RANS equations. The method is applied to predict the open water performance of a ship propeller, and the thrust factor, torque factor, surface pressure factor, and wake flow are simulated under different pitches. The open water performance of a ship propeller can be well analyzed by RANS method.

Key words： ship propeller; open water performance; pitch; surface pressure; wake flow

0引言

随着现代计算机硬件以及数值算法的快速发展，RANS方法在目前流场分析及工程设计优化中的应用越来越广，解决了很多通过经典算法以及传统试验难以解决的问题.从第22届国际拖曳水池会议（International Towing Tank Conference，ITTC）开始，RANS方法开始被应用到船用螺旋桨的水动力分析中［1］，而在此之前，螺旋桨的设计以及性能预测主要基于势流理论建立的升力面理论［2］和面元法［3］，与其相比，RANS方法能更快地模拟螺旋桨附近的黏性流场.

1螺旋桨三维黏性流场的数值模拟

为验证通过求解RANS方法预报螺旋桨三维黏性流场的准确性，以DTMB 4119桨为例，对其桨叶周围的黏性流场进行数值模拟.DTMB 4119桨被ITTC选为考证数值方法预报精度的标准螺旋桨,其桨叶直径为0.3048 m，叶剖面为NACA-66mod型，毂径比为0.2.［4］

1.1理论基础

RANS方程中的连续性方程［5］可用笛卡尔张量表示为ρt+(ρui)xi=0（1）动量方程可表示为t(ρui)+xj(ρujui)=-pxi+xj(μ+μt)uixj+ujxi+fi（2）式中：ρ为流体密度；μ为流体动力黏性因数；μt为湍流动力黏性因数.若流体为不可压缩流，则ρt=0（3）1.2CFD计算模型

螺旋桨流场的计算域见图1，包括外部大圆柱形区域（直径1.60 m）和内部小圆柱形区域（直径0.36 m）.内区采用非结构化网格（见图2），并在螺旋桨表面划分5层棱柱体网格来更好地模拟边界层的流动；外区采用结构化网格，内外区的交界面定义为interface.采用动参考系模型计算，即内区定义为与螺旋桨同步转动，而外区则采用绝对坐标系.湍流模型采用RNG k-ε模型，定义残值收敛标准为5E-5.

1.3边界条件设置

设内流场的转速为600 r/min，而外流场则在绝对坐标系下静止，流场入口设置为速度入口，其速度vA根据螺旋桨的进速因数J换算得到，换算公式为J=vA/nD式中：n为螺旋桨的转速；D为桨叶直径；vA为入口速度.出口设为压力出口，大圆柱体表面设为对称边界条件，桨叶和桨毂表面设为无滑移壁面.

1.4计算结果

1.4.1敞水性能计算结果及验证

进速因数分别取为0.500，0.600，0.700，0.833，0.900和1.100，计算得到不同进速因数下的螺旋桨桨叶的推力和扭矩值，换算得到推力因数KT和转矩因数KQ并与试验值［6］进行比较，其中，KT=F/ρn2D4

KQ=M/ρn2D5式中：F和M分别为螺旋桨桨叶的推力和扭矩值.

由图3可知，计算所得的推力因数与试验值在进速因数低于0.833时吻合较好，而转矩因数与试验值误差始终很小，可见虽然计算中采用的RANS方法未能考虑桨叶周围的流场从层流向湍流的过渡，但对本文的计算精度影响很小.

2船用螺旋桨水动力性能计算及分析

2.1螺旋桨三维模型

螺旋桨桨模的几何尺度如下：叶片数Z=5，螺旋桨直径d=3 800 mm，旋转速度n=210 r/min.将螺旋桨桨叶的切面型值坐标转换为三维空间坐标，随后在CATIA中建立桨叶各切面的样条曲线，最后由各切面的样条曲线生成桨叶叶面.采用前述的相同方法求解螺旋桨的黏性流场，计算过程中各个参数设置与标准桨一致.

2.2不同螺距比下螺旋桨水动力性能

在不同螺距比下的螺旋桨推力因数和转矩因数见图4，可知，螺旋桨在3种不同螺距比下的推力因数和扭矩因数随进速因数的变化趋势相同.

(a)推力因数分布

(b)扭矩因数分布

螺旋桨的敞水效率η=KTJ/(2πKQ)不同螺距比下的敞水效率见图5，可知，当此螺旋桨的螺距比为1.473及1.600时，在进速因数J小于1.1的区间内未达到其最大敞水效率，而当螺距比为1.23时，此螺旋桨的最大敞水效率出现在进速因数0.95左右处.此外，该螺旋桨在螺距比为1.230的工况下，其在低进速因数下的敞水效率虽高于另两种螺距比工况，但当进速因数高于0.95后，其敞水效率随进速因数的增大急剧下降.

2.3不同螺距比下螺旋桨表面压力因数

当进速因数J=0.8时，不同螺距比下螺旋桨在其半径比为r/R=0.35处的表面压力因数Cp分布见图6.

（a）螺距比为1.230时的压力因数分布

（b）螺距比为1.473时的压力因数分布

（c）螺距比为1.600时的压力因数分布

通过控制云图每一级的数值可知，随着螺距比的增大，吸力面上的负压因数逐渐增大，且负压区向导边方向靠近.

2.4不同螺距下螺旋桨尾流

J=0.8时螺旋桨尾流情况见图7.螺旋桨对流场的抽吸作用使螺旋桨尾流的外直径小于螺旋桨的直径，在同一螺距下，螺旋桨的尾流螺距随进速因数J的上升而增大，由图7可知，在不同螺距下螺旋桨的尾流螺距随螺旋桨螺距比的增大而增大.(a)螺距比为1.230(b)螺距比为1.473(c)螺距比为1.600图 7J=0.8时螺旋桨尾流情况

Fig.7Propeller wake flow when J=0.8

3结论

(1)对某标准桨叶的敞水性能进行数值模拟，结果与试验值吻合较好，验证通过求解RANS方程模拟螺旋桨黏性流场方法的可行性.

(2)通过求解RANS方程对某船用螺旋桨进行水动力分析，计算螺旋桨在3种不同螺距比工况下的敞水性能，可知螺旋桨在不同螺距工况下，其推力因数和扭矩因数随进速因数的变化规律相似，但敞水效率差异较明显.不同螺距下螺旋桨表面的压力因数分布以及螺旋桨的尾流情况也略有不同.

(3)本文未考虑螺旋桨的空化现象，而在螺旋桨的某些工况下，空化现象的确存在，此点有待进一步研究.参考文献：

［1］The 22nd ITTC Propulsion Committee Workshop. Propeller RANS/Panel methods［R］. Grenoble, France, 1998: 23.

［2］YANG C J，WANG G Q，KOIZUKA H．Study on performance and spindle torque of CPP［J］. J Soc Naval Arch West-Jpn, 1994(87): 27-37.

［3］董世汤, 唐登海, 周伟新. CSSRC的螺旋桨定常面元法［J］. 船舶力学, 2005, 9(5): 46-60.

DONG Shitang, TANG Denghai, ZHOU Weixin. Panel method of CSSRC for propeller in steady flows［J］. J Ship Mech, , 2005, 9(5): 46-60.

［4］李巍, 王国强, 汪蕾. 螺旋桨黏流水动力特性数值模拟［J］. 上海交通大学学报, 2007, 41(7): 1200-1204.

LI Wei, WANG Guoqiang, WANG Lei. The numerical simulation of hydrodynamic characteristics in propeller［J］. J Shanghai Jiaotong Univ, 2007, 41(7): 1200-1204.

［5］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: 7-13.

［6］KOYAMA Koichi. Comparative calculations of propellers by surface panel method［J］. Papers Ship Res Inst, 1993, 15(S1): 57-66.

(编辑 于杰)

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