CFD技術(shù)在螺旋槳粘性流場計算中的可靠性預(yù)報分析

姜東栓

摘 要：以 MAU 型槳作為研究對象，通過數(shù)值模擬方法，以質(zhì)量守恒定理及動量守恒定理為基礎(chǔ)，建立不可壓縮流體的控制方程，計算螺旋槳在敞水中的受力情況。本文數(shù)值計算采用湍流模型和 SIMPLE算法，分析推進器在不同進速系數(shù)下，推力、扭矩與表面壓力變化分布特點。運用計算軟件FLUENT，對螺旋槳的尾流場進行模擬計算，展示其敞水性能的數(shù)值計算結(jié)果并與水池敞水試驗值對比，對常規(guī)螺旋槳在粘性流場中受力直觀體現(xiàn)，并校驗了CFD技術(shù)在粘性流場計算中的可靠性。

關(guān)鍵詞：粘性流場；螺旋槳；FLUENT；可靠性

中圖分類號：U664.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0043-02

因螺旋槳復(fù)雜的幾何形式及流場的多變性，導致流體分離、漩渦等多種不可預(yù)測現(xiàn)象的發(fā)生，面對復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)，通過求解描述流動過程的微分方程式進行解析將是一項極為困難的工程。大多數(shù)流場研究中，對于螺旋槳流場理論研究工作，基本采用勢流方法；隨著粘流理論及流體仿真技術(shù)的進步，運用商用流體模擬軟件對粘性流場進行模擬。螺旋槳粘流問題可作為一種不可壓情況，其計算難點即壓力場的確定。通常流體解析方程多為非線性，自變量較多，計算域幾何形狀任意，邊界條件情況復(fù)雜，對這些無法直接求得解析解的問題方程，用數(shù)值方式則能化解此類問題。

1 控制方程

假定流體不可壓，來流為以定常速度作勻速直線運動，螺旋槳保持相對旋轉(zhuǎn)速度為0，在螺旋槳周向的轉(zhuǎn)動區(qū)域保持一定轉(zhuǎn)速，建立流場控制方程如下：

2 幾何模型建立

將螺旋槳參數(shù)采用坐標轉(zhuǎn)換成txt格式數(shù)據(jù)，導入Fluent 軟件配套的前處理器 Gambit軟件 ，建立三維幾何建模。運用樣條曲線方法在 Gambit 中連接各個截面上的型值點，從而建立螺旋槳三維的表面外形。建立的螺旋槳的三維模型如圖1所示。

計算域的外邊界面在槳體外流面無窮遠處，內(nèi)邊界取在槳葉和槳轂外的外表面上，槳轂中心可以簡化為圓柱體，圖 2 為螺旋槳計算域體網(wǎng)格。為了提高計算結(jié)果精度，整個大域劃分成幾個小域，便于在劃分網(wǎng)格時，對局部網(wǎng)格進行加密。

3 結(jié)果分析

為檢驗FLUENT軟件在分析螺旋槳的粘性水動力性能結(jié)果的可靠性，將數(shù)值計算所得的螺旋槳的敞水性能與模型在水池敞水試驗的結(jié)果比較。進速系數(shù)、推力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別定義如下：

螺旋槳推力系數(shù)：

扭矩系數(shù)：

在給定進速系數(shù)J=0.102 、J=0.204、 J=0.306 、J= 0.408、J= 0.510、J= 0.612、J= 0.658下，對52000DWT油輪螺旋槳進行數(shù)值計算， 對比結(jié)果如圖3所示，螺旋槳水池敞水試驗數(shù)據(jù)與仿真軟件計算結(jié)果非常接近，KT和KQ的最大誤差分別不超過 8%和7.5%。可見螺旋槳進速系數(shù)越大，計算值與試驗值偏差也越大。

在槳盤面以內(nèi)部分，流體的流動形態(tài)較為復(fù)雜；在槳盤面以外部分，流體的流動較為規(guī)律，速度等值線近乎圓形；這說明螺旋槳轉(zhuǎn)動所影響流體區(qū)域主要在槳盤面以內(nèi)部分。圖4給出在設(shè)計工況下（J=0.658）槳葉處的流動情況示意圖，較為直觀的看到流動從梢部泄露后的流動規(guī)律及葉根處的流動。

圖5給出在設(shè)計工況下（J=0.658），槳葉背上壓力系數(shù)分布圖。從分布圖可看到，分布于葉背中部的受力比較均勻；葉背梢部附近壓力最低，也是最容易產(chǎn)生空泡現(xiàn)象。

圖6給出設(shè)計工況下（J=0.658），在不同徑向位置上葉表面壓力系數(shù)。從圖中可以看出葉面上流動信息預(yù)報精度略好；葉根處槳葉葉背的數(shù)值預(yù)結(jié)果不太理想，其原因可能為葉背附近出現(xiàn)的流體分散情況，方程無法捕捉并進行準確預(yù)報；其次，網(wǎng)格疏密對計算精度也是影響數(shù)值精度的因素之一。圖7給出r/R為0.9時（靠近葉梢）的計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果可以預(yù)測到，槳葉導邊的駐點位置；在葉梢部位，葉面壓力明顯高于葉背，表明葉梢受壓較大。

4 結(jié)束語

通過FLUENT軟件考察，在不同進速系數(shù)下的扭矩系數(shù)KQ和推力系數(shù)KT與水池試驗結(jié)果相比較誤差不會超過8%，預(yù)報螺旋槳的性能較為可靠，說明其具有一定實際應(yīng)用價值。同時簡要分析螺旋槳周圍流場，以進度系數(shù)J=0.568為例給出了詳盡的微觀流動信息，揭示空泡最可能在螺旋槳上所發(fā)生的區(qū)域，還可以清楚的看到葉梢區(qū)域附近流線的變化情況，為今后螺旋槳選型、優(yōu)化提供了重要的依據(jù)。

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