基于CFD技術的機槳匹配初步設計

胡 義， 劉宗發(fā)

(武漢理工大學 a. 高性能船舶技術教育部重點實驗室； b. 能源與動力工程學院，武漢 430063)

基于CFD技術的機槳匹配初步設計

胡 義a,b， 劉宗發(fā)a,b

(武漢理工大學 a. 高性能船舶技術教育部重點實驗室； b. 能源與動力工程學院，武漢 430063)

針對傳統(tǒng)機槳匹配設計的局限性，提出將計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics ,CFD)技術應用到機槳匹配初步設計計算中。應用Fluent軟件計算螺旋槳性能參數(shù)，在一定進速系數(shù)范圍內(nèi)進行機槳匹配。運用CFD技術預報螺旋槳性能參數(shù)，結(jié)果表明試驗值與預報值的吻合度較高，該CFD技術可應用到機槳匹配實際設計中。將CFD技術應用到機槳匹配初步設計中進行實例計算比較，結(jié)果表明該設計思路具有一定的可行性。

機槳匹配；計算流體動力學(CFD)；螺旋槳；Fluent

在船舶航行過程中，其機槳存在相互匹配的問題，若匹配不當，會出現(xiàn)主機功率不足或超負荷運轉(zhuǎn)的問題，甚至出現(xiàn)敲缸、拉缸等嚴重故障。機槳匹配設計問題貫穿于船舶設計、建造和使用等全壽命管理過程。機槳匹配設計與能源效率設計指數(shù)、船舶的經(jīng)濟性及安全性等有著密切聯(lián)系。目前，在船舶機槳匹配設計中，一般采用比較傳統(tǒng)的B系列圖譜法和MAU系列圖譜法。為更好地實現(xiàn)機槳匹配設計的自動化，BP回歸系數(shù)法、KT和KQ回歸系數(shù)法也得到廣泛應用。這2種方法在機槳匹配計算中主要計算出螺旋槳的性能參數(shù)(包括螺旋槳敞水效率η0，推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ)，應用這些參數(shù)進行機槳匹配設計計算。[1-3]

本文在螺旋槳直徑已知的情況下，進行一定進速系數(shù)范圍內(nèi)的機槳匹配初步設計，計算出不同螺距比對應的螺旋槳性能參數(shù)，通過對比找出敞水效率的最大點，該效率最大點對應的螺旋槳性能參數(shù)和主機性能參數(shù)就是在機槳匹配初步設計中求得的結(jié)果。在求解不同螺距比對應的螺旋槳性能參數(shù)時，應用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics ,CFD)技術進行螺旋槳的性能參數(shù)計算，突破傳統(tǒng)機槳匹配設計的局限性。

1 CFD技術預報螺旋槳性能參數(shù)

1.1 模型建立

在驗證利用CFD技術預報螺旋槳性能參數(shù)的準確性時，采用DTMB P4119標準螺旋槳，其主要參數(shù)見表1。

根據(jù)文獻[4]中螺旋槳的坐標轉(zhuǎn)換公式，在Excel中分別計算出螺旋槳葉背和頁面在各切面上的坐標型值點。將螺旋槳的槳葉及槳轂的型值點導出，并將其轉(zhuǎn)換為.dat文件。將不同葉切面的型值點及槳轂的型值點導入到Gambit軟件中，通過點創(chuàng)建不同葉切面下的曲線，將曲線填充為曲面，將曲面合并為槳葉實體，通過復制和旋轉(zhuǎn)曲面生成其余的槳葉及槳轂，最后通過布爾運算將槳葉和槳轂合并為一個實體(見圖1)。

表1 DTMB P4119標準螺旋槳主要參數(shù)

圖1 螺旋槳三維圖

1.2 計算域劃分

在螺旋槳水動力性能分析中，為更好地提高數(shù)值計算的準確性及減少計算量，將整個計算流域劃分為2個大小不同的流域。小流域隨螺旋槳一起旋轉(zhuǎn)，從而仿真模擬螺旋槳周圍流體的流動情況。旋轉(zhuǎn)區(qū)域以外的大流域為靜止區(qū)域。大流域的直徑為5D(D為螺旋槳的直徑)，長度為12D；小流域的直徑為2D，長度為1.5D。小流域相對大流域旋轉(zhuǎn)，其中：大流域要用小流域進行分割；小流域和螺旋槳要進行布爾運算。

1.3 網(wǎng)格生成

在CFD計算前的處理中，網(wǎng)格的劃分直接影響到計算效率的高低和計算結(jié)果的準確性。網(wǎng)格過于疏松會導致計算結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，網(wǎng)格過密又會使計算量增加和計算結(jié)果難以收斂。螺旋槳的槳葉曲面和槳轂的表面采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。螺旋槳表面網(wǎng)格劃分完成之后，采用Tgrid方法和Tet/Hybrid單元搭配對小流域進行體網(wǎng)格劃分。小流域體網(wǎng)格劃分完成之后，按照相同的方法進行大流域體網(wǎng)格劃分，大流域體網(wǎng)格劃分的密度可適當降低，有利于減少網(wǎng)格總數(shù)。采用以上網(wǎng)格劃分方法，可在網(wǎng)格數(shù)量一定的情況下提高計算結(jié)果的準確性。[5-6]計算域及螺旋槳的網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。

圖2 計算域及螺旋槳的網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.4 邊界條件及求解參數(shù)設定

流體計算域及螺旋槳網(wǎng)格劃分完成之后，導入到Fluent軟件中，采用SIMPLE耦合求解器進行求解。在湍流模型的選擇上，使用重整規(guī)化群k-ε模型(RNGk-ε湍流模型)。該模型是利用重組化群的數(shù)學方法在標準的k-ε模型基礎上推導出的，具有更高的可信度和精度，其湍動能和耗散率方程[4]為

(1)

(2)

在對螺旋槳進行性能參數(shù)預報時，采用Fluent軟件中的多參考模型(Multiple Reference Frame Model,MRF)。該模型是最簡單的多運動參考系模型，為穩(wěn)態(tài)求解方法，可為獨立的計算區(qū)域指定不同的旋轉(zhuǎn)或平移速度。在MRF模型計算區(qū)域之間的網(wǎng)格并不會發(fā)生相對運動，需將大流域與小流域之間的交界面設置為對應的interface面，并在軟件中分別進行對應關聯(lián)，從而確保網(wǎng)格不同的2個交界面能進行傳遞計算。

大流域圓柱體的表面及螺旋槳的表面均設置為壁面(即WALL)。入口條件設置為速度入口(即velocity inlet)，出口邊界邊界條件設置為自由出流邊界(即outflow)。旋轉(zhuǎn)區(qū)域的轉(zhuǎn)速設置為600 r/min，螺旋槳的運動狀態(tài)設置為“relative to adjacent cell zone”。在數(shù)值計算中，將螺旋槳視為相對軸向靜止，通過改變?nèi)肟谔幩鞯乃俣葋砟M螺旋槳的前進速度。流場假設為不可壓，流場流動的連續(xù)方程和動量方程[6]為

(3)

(4)

1.5 結(jié)果分析

在計算過程中，螺旋槳的進速系數(shù)J分別取0.500，0.600，0.700，0.833，0.900，1.100；進速系數(shù)的大小通過改變螺旋槳進速Va的大小來控制。計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比見表2。

表2 計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比

由表2可知，在不同進速系數(shù)下，螺旋槳水動力性能的計算結(jié)果與試驗結(jié)果之間的誤差較小，其中，推力系數(shù)KT的平均誤差為-1.6%，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ的平均誤差為1.4%?？傮w來說，不同進速系數(shù)下推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的計算值與試驗值吻合較好。

2 應用CFD進行機槳匹配初步設計

在進行船、機、槳匹配時，需將三者的特性參數(shù)置于同一個坐標系中進行分析。由式(6)可知，螺旋槳推力系數(shù)KT的計算式中含有螺旋槳直徑D和轉(zhuǎn)速np這2個未知變量，在機槳匹配初步設計過程中，僅給定螺旋槳直徑D或轉(zhuǎn)速np。

(5)

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)，可得

(7)

KT，ship=C7J2

(8)

將螺旋槳特性曲線KT和船舶特性曲線KT，ship置于同一個坐標系中，可得到二者的交點，該點對應的轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水效率η0就是對應螺距比下的螺旋槳匹配參數(shù)(見圖3)。比較不同螺距比對應的敞水效率η0的大小，最大點對應的螺旋槳參數(shù)和主機功率即為機槳匹配計算結(jié)果。

圖3 螺旋槳特性曲線

本文在已知螺旋槳直徑的條件下進行機槳匹配初步設計，在一定進速系數(shù)范圍內(nèi)對螺旋槳推力系數(shù)KT和船舶特性系數(shù)KT,ship進行匹配，求得不同螺距比對應的螺旋槳參數(shù)，從中找出敞水效率η0的最大點，確定最佳的螺旋槳參數(shù)，并選擇出合適的主機，使之既能滿足達到預定航速的要求，又能使主機消耗的功率最小，以得到良好的匹配效果。[8-10]

根據(jù)上述機槳匹配初步設計方法及螺旋槳特性曲線圖譜法提出軟件計算流程(見圖4)?？紤]到螺旋槳特性曲線圖譜法的局限性，根據(jù)CFD對螺旋槳性能參數(shù)預報的準確性及機槳匹配初步設計的原理，提出將CFD技術應用到機槳初步匹配過程中的設計思路，其設計流程見圖5。

圖4中的匹配設計流程是在螺旋槳直徑已知的條件下，在一定的進速系數(shù)范圍內(nèi)進行機槳匹配設計，求得不同螺距比對應的螺旋槳性能參數(shù)，找出不同螺距比對應的敞水效率的最大點，該點對應的螺旋槳性能參數(shù)及主機性能參數(shù)即為所求。在求解螺旋槳的參數(shù)時，采用回歸系數(shù)法，目前主要有Bp回歸系數(shù)法及KT和KQ回歸系數(shù)法。KT和KQ回歸系數(shù)法的相關資料全部公開，可在一定范圍內(nèi)根據(jù)盤面比、槳葉數(shù)和螺距比等參數(shù)計算出對應的螺旋槳參數(shù)，但并沒有對全系列螺旋槳進行回歸。Bp回歸系數(shù)法只能在螺旋槳盤面比確定的情況下進行計算，且沒有公布全系列回歸系數(shù)。

圖4 回歸系數(shù)初步設計流程

圖5中的匹配設計流程同樣是在螺旋槳直徑已知的條件下，在一定進速系數(shù)范圍內(nèi)進行機槳匹配設計，求得不同螺距比對應的螺旋槳的性能參數(shù)，從中找到不同螺距比對應的敞水效率的最大點。但是，在計算不同螺距比對應的螺旋槳性能參數(shù)時，采用CFD技術求解。首先根據(jù)流程中不同的螺距比，在Excel軟件中求得螺旋槳的型值點，并在Gambit軟件中實現(xiàn)建模和網(wǎng)格的劃分；隨后在Fluent軟件中求得推力和轉(zhuǎn)矩；最后獲得螺旋槳的基本性能參數(shù)。

3 實例計算與分析

選取某船機槳匹配初步設計算例進行比較和分析，根據(jù)該船的船模試驗報告給出其有效功率曲線及機槳匹配所需參數(shù)，選取B系列中的螺旋槳作為匹配設計的螺旋槳，通過初步匹配設計，使船舶在滿足預定航速的情況下選出的主機消耗功率足夠小。

首先在設計吃水下進行機槳匹配初步設計。船舶在設計航速下的相關參數(shù)為:設計航速11.5 kn,有效功率354.5 kW,伴流分數(shù)0.298,推力減額0.209,相對旋轉(zhuǎn)效率1.0,螺旋槳直徑2.24 m,軸系傳遞效率0.98。

圖5 應用CFD初步設計流程

采用上述已知條件進行機槳匹配初步設計，分別按照提供的2種不同方法進行計算，并與采用手算方法所得計算結(jié)果相對比。這3種計算方法的結(jié)果比較見表3。

表3 3種計算方法結(jié)果比較

通過對上述結(jié)果進行比較分析發(fā)現(xiàn)：采用回歸算法所得結(jié)果與采用手算方法所得結(jié)果的吻合度非常高，具有很高的實際應用價值；回歸系數(shù)法能適用的螺旋槳僅有MAU型螺旋槳和B型螺旋槳；CFD算法能適用所有類型的螺旋槳。采用CFD算法所得結(jié)果與采用手算方法所得結(jié)果存在一定的誤差，但誤差僅為1.2%。在初步匹配設計之后，選擇主機時還要具有10%主機功率的儲備；在采用CFD算法時，主機功率儲備可降低到8.8%。通過以上實例計算比較分析可知，將CFD技術應用到機槳匹配初步設計中具有一定的可行性和實用性。

4 結(jié)束語

隨著CFD技術的不斷發(fā)展及廣泛應用，CFD技術在螺旋槳性能參數(shù)預報方面的準確度越來越高。根據(jù)機槳匹配相關原理設計計算流程圖，提出將CFD技術應用到機槳匹配初步設計中。首先通過Excel編制相關轉(zhuǎn)換公式，計算得到螺旋槳的型值坐標點，并在Gambit中進行建模和網(wǎng)格劃分；隨后應用Fluent軟件計算得到螺旋槳的性能參數(shù)，通過與試驗值相對比發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi)。應用CFD技術進行機槳匹配初步設計計算，通過對不同計算方法的結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)回歸算法的結(jié)果與手算方法的結(jié)果吻合度非常高，CFD算法的結(jié)果存在工程允許范圍內(nèi)的誤差。在完成機槳匹配初步設計時，選擇主機要考慮很多因素，同時要有10%的功率儲備，因此應用CFD技術進行機槳匹配初步設計具有很高的實際應用價值。

本文提出的將CFD技術應用到機槳匹配初步設計中的思路突破了傳統(tǒng)匹配設計計算的局限性，具有廣泛的適用性；同時，該設計方法可通過軟件編程實現(xiàn)機槳匹配設計的自動化。

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PreliminaryDesignofEngine-PropellerMatchingBasedonCFDTechnology

HUYia,b,LIUZongfaa,b

(a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology, Ministry of Education;b. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

In view of the limitation of traditional engine-propeller matching process, to perform preliminary matching between the propeller and the engine with Computational Fulid Dynamics (CFD) technology is proposed. The propeller performance parameters are calculated by Fluent software, and the engine-propeller matching is carried out within a given speed coefficient range. Tests show that the test values are in good agreement with the predicted values, and the method can be applied to the practical matching process. The method has also been used in practical design and proved to be feasible.

engine propeller matching; CFD; propeller; Fluent

2017-11-25

國家科技支撐計劃(2014BAG04B02-3)

胡 義(1975—)，男，湖北孝感人，副教授，博士，研究方向為動力裝置性能分析與故障診斷。E-mail:huyiwhut@163.com

1000-4653(2017)04-0038-05

U662.3

A