吊艙推進器定常水動力性能計算

郭春雨 ， 楊晨俊 ， 馬 寧

（1上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實驗室，上海 200030；2哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

1 引 言

吊艙式推進器的概念在1989年被提出，該裝置可以提高艦船總體性能，節(jié)省艙室空間，增加有效載荷，提高艦船的作戰(zhàn)使用效能，可充分發(fā)揮電力推進系統(tǒng)的優(yōu)越性。20世紀90年代以來，英國海軍的油船、海洋考察船、加拿大海軍的破冰船等多型輔助艦船采用了吊艙推進器。在未來新型艦船的論證與研制過程中，一些發(fā)達國家均將吊艙推進器作為首選方案。近年來，國內(nèi)的一些學(xué)者相繼開展了吊艙推進器水動力性能的理論及實驗研究。文獻[1]基于單槳式吊艙推進器定常水動力性能的理論計算方法及試驗，探討了吊艙對螺旋槳水動力性能的影響。采用面元法，對螺旋槳與吊艙的相互影響進行了時間平均及迭代處理，通過計算分析了吊艙對槳葉載荷分布的影響。文獻[2]應(yīng)用升力面理論渦格法和面元法探索了吊艙推進器的定常水動力性能預(yù)報理論方法。文獻[3]研究并建立了吊艙推進器螺旋槳的尾渦模型。應(yīng)用簡單尾渦松弛方法，計算了不同進速系數(shù)下，尾渦線螺距角分布，建立了吊艙推進器螺旋槳的尾渦模型。文獻[4]對吊艙影響下的螺旋槳非定常性能，通過系統(tǒng)的計算和分析研究了螺旋槳負荷、吊艙伴流各分量以及標稱與實效伴流對吊艙推進器水動力性能的影響。文獻[5]介紹了吊艙式推進器的特點，分析了目前幾種主要的吊艙推進器的模型試驗方法及其特點，提出了在敞水、自航試驗中需要關(guān)注的問題。文獻[6]對影響吊艙推進器螺旋槳性能的因素進行了分析，提出應(yīng)用常規(guī)螺旋槳圖譜估算吊艙推進器敞水特性曲線的方法，通過保持盤面比不變改變螺距比迭代計算得到等效常規(guī)螺旋槳，根據(jù)得到的螺距比變化規(guī)律和常規(guī)槳圖譜，設(shè)計吊艙推進器和估算其敞水特性并給出算例。

本文采用CFD軟件FLUENT計算了拖式吊艙推進器定常水動力性能。對于吊艙推進器的整體計算由于涉及到轉(zhuǎn)子/定子物體的相互干擾問題，本文在模擬相互干擾平均效果的定常情況計算中，采用混合面模型進行。分析了針對轉(zhuǎn)子/定子物體的相互干擾問題的特殊參數(shù)設(shè)置問題。計算了不同進速系數(shù)下吊艙推進器的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)。采用四套網(wǎng)格進行了吊艙推進器水動力性能計算的比較分析，給出了詳細的計算網(wǎng)格參數(shù)。分析了計算網(wǎng)格數(shù)對吊艙推進器理論預(yù)報精度的影響。

2 計算方法及邊界條件的設(shè)定

FLUENT可以進行整個計算區(qū)域或者部分區(qū)域存在移動的流動模擬。包括單個旋轉(zhuǎn)坐標系和多旋轉(zhuǎn)坐標系。對于存在旋轉(zhuǎn)體與定子相互干擾的情況下，能夠進行轉(zhuǎn)子或者推進器計算的模型共有四種：

（1） 多參考系（MRF）模型；

（2）混合面模型；

（3）滑移網(wǎng)格模型；

（4）動態(tài)網(wǎng)格技術(shù)。

多參考系（MRF）是一種定常計算模型，模型中假定網(wǎng)格單元做勻速運動，是四種方法中最簡單的一種方法。這種方法適用于網(wǎng)格區(qū)域邊界上各點的相對運動基本相同的問題。大多數(shù)時均流動都可以用MRF模型進行計算，特別是運動網(wǎng)格區(qū)域與靜止網(wǎng)格區(qū)域間的相互作用比較微弱時可以使用MRF模型進行計算。MRF模型的另一個用途是用來為滑動網(wǎng)格模型計算提供初始流場，即先用MRF模型粗略算出初始流場，再用滑動網(wǎng)格模型完成整個計算。

混合面模型是介于MRF模型與滑動網(wǎng)格之間的一種求解一個或多個區(qū)域有相對運動的模型。在混合面模型中，每一個流動區(qū)域被當作定常流場計算。在混合面各相鄰域的交界面上，鄰近區(qū)域的流場數(shù)據(jù)是作為邊界條件進入其他區(qū)域的?；旌厦婺Ｐ秃雎粤酥車h(huán)境的隨機擾動對流場的影響，這對時間平均流場的計算不會有太大的影響。

滑移網(wǎng)格模型則假定流動是非定常的，因此可以真實地模擬轉(zhuǎn)子與定子間的相互影響，所以在兩者相互影響不可忽略的情況下，應(yīng)當選擇滑移網(wǎng)格模型。

動網(wǎng)格模型可以用來模擬流場形狀由于邊界運動而隨時間改變的問題。邊界的運動形式可以是預(yù)先定義的運動，即可以在計算前指定其速度或角速度；也可以是預(yù)先未做定義的運動，即邊界的運動要由前一步的計算結(jié)果決定。

圖1 流場計算域Fig.1 Grid system of computational region

本文在模擬螺旋槳葉與艙體、支架的相互干擾平均效果的定常情況計算中，采用混合面模型進行。在計算過程中采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以減小網(wǎng)格生成的難度。吊艙推進器水動力試驗在上海交通大學(xué)空泡水筒實驗室進行。槳葉及吊艙尺寸如表1所示。計算流域如圖1所示，計算域一共劃分為三個域：在槳葉表面包圍一個圓柱體控制域1，在此域內(nèi)進行網(wǎng)格的細化；域2為吊艙以及支架所在的控制域。域3代表遠尾流場網(wǎng)格可以粗化，從而達到合理的減少計算網(wǎng)格的目的。邊界條件設(shè)置為來流速度入口，出口定義為壓力出口。

表1 螺旋槳主要幾何參數(shù)Tab.1 Main geometrical parameters of propeller

3 k-ε模型的壁面函數(shù)選擇

在受壁面限制的流動中，因為壁面附近流場變量的梯度較大，所以壁面對湍流計算的影響很大。湍流模型中假定湍流是各向同性的，因此在壁面附近需要進行特殊處理。處理的一種辦法是用半經(jīng)驗公式將自由流中的湍流與壁面附近的流動連接起來，這種方法被稱為壁面函數(shù)法。壁面函數(shù)法中又有標準壁面函數(shù)法和非平衡壁面函數(shù)法。一般地說，標準壁面函數(shù)可以適用于大多數(shù)流動問題，因此也是FLUENT中缺省設(shè)置的方法。非平衡壁面函數(shù)法則適用于流場函數(shù)在壁面附近存在很大梯度的流動問題。

在FLUENT中，k-ε模型無論是作為低雷諾數(shù)模型還是作為高雷諾數(shù)模型都是有效的。如果選中Viscous Model面板中的Transitional Flows選項，那么使用的是低雷諾數(shù)變量，那樣的話，網(wǎng)格的指導(dǎo)方針就和增強壁面函數(shù)的完全一樣。如果沒有選中該選項，網(wǎng)格指導(dǎo)方針就和壁面函數(shù)的一樣。FLUENT為湍流近壁模型（標準壁面函數(shù)，非平衡壁面函數(shù)，和增強的壁面處理）提供了三種選項。本文針對180萬網(wǎng)格情況在參數(shù)設(shè)置相同的情況下對標準壁面函數(shù)，非平衡壁面函數(shù)處理進行了比較分析，如表2所示可以看出在相同參數(shù)設(shè)置的情況下，吊艙推進器的水動力性能計算采用非平衡壁面函數(shù)法提高了理論計算值的準確性。

表2 實驗值與數(shù)值計算結(jié)果Tab.2 Calculation results and test data of podded propulsor

4 計算網(wǎng)格數(shù)對吊艙推進器水動力性能理論預(yù)報的影響

本文初步研究了流域計算網(wǎng)格數(shù)對吊艙推進器水動力性能的影響，計算中采用四套網(wǎng)格即180萬網(wǎng)格、280萬網(wǎng)格、380萬網(wǎng)格及500萬網(wǎng)格分別進行計算。表3-6分別列出了180萬與500萬計算模型的具體網(wǎng)格數(shù)，其中詳細列出了槳葉、艙體以及支架表面的網(wǎng)格數(shù)。

表7-8所示為不同進速系數(shù)下槳葉的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)的詳細計算結(jié)果。圖5表示四種網(wǎng)格下的計算結(jié)果的比較。從計算結(jié)果來看，四種網(wǎng)格都很好地預(yù)報了槳葉的推力系數(shù)。采用180萬網(wǎng)格時，推力系數(shù)的誤差在4%左右，隨著計算域網(wǎng)格數(shù)的增加推力系數(shù)與實驗值相比更加接近。

表3 170萬網(wǎng)格模型參數(shù)Tab.3 Parameters of 170 model

表4 280萬網(wǎng)格模型參數(shù)Tab.4 Parameters of 280 model

表5 380萬網(wǎng)格模型參數(shù)Tab.5 Parameters of 380 model

表6 500萬網(wǎng)格模型參數(shù)Tab.6 Parameters of 500 model

圖2 槳葉迎流面與背流面表面壓力分布Fig.2 Pressure distribution on the surface of propeller

從計算結(jié)果看，扭矩系數(shù)對于網(wǎng)格數(shù)似乎更加敏感，這是由于粘性力對槳葉推力以及扭矩的影響所占比重不同引起的。180萬的網(wǎng)格數(shù)扭矩系數(shù)的計算結(jié)果與試驗值相比誤差大約為6%-7%，隨著計算網(wǎng)格數(shù)的增加，扭矩系數(shù)精度不斷提高，在380萬網(wǎng)格時誤差減小到4%左右。500萬網(wǎng)格數(shù)計算時與380萬網(wǎng)格相比，從計算結(jié)果來看，推力系數(shù)在保留三位有效數(shù)字的前提下，在5個進速系數(shù)計算點都沒有變化，扭矩系數(shù)與實驗值相比精度提高并不十分明顯，而此時每個工作點在相同迭代次數(shù)的情況下計算時間是380萬的1.5倍左右，因此如何在兼顧計算時間及合理利用計算資源的情況下選擇合適的網(wǎng)格數(shù)也是需要深入探討的問題。

圖3 支架及艙體表面壓力分布Fig.3 Pressure distribution on surface of cabin and frame

表7 推力系數(shù)與扭矩系數(shù)的實驗值與數(shù)值計算結(jié)果比較Tab.7 Thrust and torque coefficients of calculation and test of podded propulsor

表8 推力系數(shù)與扭矩系數(shù)的實驗值與數(shù)值計算結(jié)果比較Tab.8 Thrust and torque coefficients of calculation and test of podded propulsor

圖4 吊艙及坐標表示Fig.4 The coordinate of podded propulsor

圖5 不同計算網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響Fig.5 Comparison between the four different models

5 結(jié) 語

本文計算了不同進速系數(shù)下吊艙的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)。討論了兩種壁面函數(shù)對計算結(jié)果的影響。計算了不同進速系數(shù)下吊艙推進器的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)。采用四套網(wǎng)格進行了吊艙推進器水動力性能計算的比較分析，給出了詳細的計算網(wǎng)格參數(shù)，分析了計算網(wǎng)格數(shù)對吊艙推進器理論預(yù)報精度的影響。對吊艙推進器槳葉、艙體及支架的受力情況進行了分析。從計算結(jié)果來看，四種網(wǎng)格都很好地預(yù)報了槳葉的推力系數(shù)。而不同的計算網(wǎng)格數(shù)對槳葉的扭矩系數(shù)的影響較大。從計算結(jié)果來看，吊艙推進器的扭矩系數(shù)對網(wǎng)格、計算模型較敏感。這是由于粘性力對槳葉推力以及扭矩的影響所占比重不同引起的。180萬的網(wǎng)格數(shù)扭矩系數(shù)的計算結(jié)果與試驗值相比誤差大約為6%-7%，而500萬網(wǎng)格數(shù)時誤差減小到3%-4%，很好地增加了理論預(yù)報的精度。吊艙推進器由于涉及到轉(zhuǎn)子/定子物體的干擾問題，需要耗費大量的時間及計算資源，如何在兼顧計算時間及合理利用計算資源的情況下選擇合適的網(wǎng)格數(shù)需要作進一步的深入探討。

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